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Leitschaufelrad für Flüssigkeitsgetriebe Die Erfindung bezieht sich
auf Flüssigkeitsgetriebe nach dem Strömungsprinzip mit geschlossenem Flüssigkeitskreislauf
und einem über I : I liegenden Übersetzungsverhältnis und betrifft die Ausbildung
der Leitradschaufeln solcher Getriebe, insbesondere für solche Fälle, in denen die
Leitradschaufeln in einem Raum untergebracht werden müssen, der in der Richtung
parallel zu der Hauptdrehachse verhältnismäßig kurz ist und in dem Getriebe nahe
der Hauptachse liegen.
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Die Bezeichnung »Auslaßende« in Verbindung mit Schaufeln bezieht sich
nur auf Schaufeln eines Leitrades, die nach der Erfindung ausgebildet sind und erfaßt
nicht irgendwelche Teile sonstiger Schaufeln, die, obwohl sie am Leitrad angeordnet
sind, sich nicht bis zu dessen Auslaßende erstrecken. Unter »Austrittswinkel« ist
derjenige Winkel verstanden, der zwischen dem Auslaßende einer Schaufel und einer
Ebene liegt und die durch die Drehachse geführt ist und das Austrittsende eben schneidet.
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Um einen stetigen Fluß der in das Leitrad eintretenden Flüssigkeit
und eine ausreichende Umwälzung der Flüssigkeit mit einer geringeren Anzahl an Schaufeln
zu erreichen, als sonst erforderlich, und um Stöße und Wirbelung zu verringern,
wenn die Flüssigkeit die Schaufeln in von dem Schaufelwinkel abweichenden Winkel
anströmt, sind die Schaufeln an ihrem Eintritt verdickt und stark abgerundet.
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In manchen Fällen ist es erwünscht, die Leitradschaufeln in Achsrichtung
möglichst kurz zu halten, wie es auch erwünscht ist, die Leitradschaufeln in demjenigen
Teil des Kreislaufes anzuordnen, der der Hauptdrehachse
am nächsten
liegt. Da die Hauptaufgabe des Leitrades darin besteht, der Flüssigkeit eine gewisse
Umlaufgeschwindigkeit um die Drehachse zu erteilen, ist ferner anzustreben, daß
kein Teil der Flüssigkeit unbeeinflußt durch die Leitradschaufeln diese durchströmt.
Wenn daher das Leitrad mit seinen Schaufeln kurz gehalten werden soll, ist eine
große Zahl von Schaufeln erforderlich gegenüber derjenigen Anzahl, die für verhältnismäßig
lange Leitradschaufeln erforderlich ist. Wird dagegen nur die geringstzulässige
Zahl an Schaufeln vorgesehen, die einen freien Durchlauf an dem von der Achse entferntesten
Teil des Leitrades bei einem üblichen Auslaßwinkel, etwa von 7o°, vermeidet, dann
muß zur Anpassung der Zahl der Schaufeln mit diesem Auslaßwinkel an dem der Achse
am nächsten liegenden Teil des Leitrades der Raum zwischen dem Auslaß der Schaufeln
so klein sein, daß übermäßig hohe Reibungsverluste entstehen. Ferner muß der Querschnitt
des Auslasses zwischen jedem Paar von aufeinanderfolgenden Schaufeln über die Radialausdehnung
von unregelmäßiger Breite sein, die von der Idealform des rechteckigen Auslaßquerschnitts
abweicht, wodurch in Verbindung mit den vorgenannten Mängeln der Wirkungsgrad des
Getriebes weiter vermindert wird.
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Es ist bereits ein Flüssigkeitswandler bekanntgeworden, bei dem die
Schaufeln mit stark abgerundeten und verdickten Köpfen versehen sind und bei dem
die Schaufelteilung so gewählt ist, daß jede durch die Drehachse des Getriebes gelegte
Meridianebene wenigstens eine der Schaufeln schneidet. Bei dieser Anordnung neigt
die strömende Flüssigkeit dazu, der Wirkung der Schaufeln des Reaktionsgliedes zu
entgehen, während ein weiterer Nachteil in der unzulässig hohen Verengung des Durchganges
besteht.
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Im Hinblick auf eine Verminderung der hydraulischen Verluste am oder
nahe dem Auslaßende des Leitschaufelrades soll die Ausführung derart getroffen sein,
daß für jeden gegebenen Winkel der Flüssigkeitsströmungsrichtung a) der Auslaß des
Schaufelkanals zwischen jedem Paar aufeinanderfolgender Flügel so breit wie möglich
gehalten wird und b) die Breite des Schaufelkanalauslasses, entlang der radialen
Höhe gesehen, im wesentlichen gleichgehalten wird, d. h. die kürzeste Entfernung
zwischen jedem Punkt, der auf der den Flügelkopf bildenden Linie liegt (gleichgültig,
ob eine solche Linie gradlinig oder andersgestaltig verläuft), und dem Flügelrücken
des benachbarten Flügels soll zweckmäßigerweise annähernd gleichgehalten werden.
Vorzugsweise ist der Auslaß im wesentlichen rechtwinklig ausgebildet.
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In Fällen, in denen eine rechteckförmige Ausbildung des Auslaßquerschnittes
nicht erreicht werden kann, sollen die Begrenzungslinien (gleichgültig, ob die Begrenzungen
gradlinig oder andersartig gestaltet sind) entlang ihrer radialen Höhe näherungsweise
parallel gehalten werden.
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In jedem Fall, d. h. für jeden gegebenen Strömungsrichtungswinkel
soll also die Breite der Auslaßöffnung entlang ihrer radialen Höhe so lang und so
einheitlich wie irgendmöglich gehalten sein. Gegenstand der Erfindung ist es, mit
bekannten Mitteln eine maximale und möglichst gleichmäßige Breite des Auslaßquerschnittes
oder aber eine weitgehende Annäherung an diese Bedingung zu erhalten.
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Auch sind Flüssigkeitsgetriebe bereits bekannt, bei denen der Drehwinkel
der Schaufeln des Reaktionsgliedes über die radiale Höhe der Schaufeln konstant
gehalten ist. Hierbei ist die maximale Weite der verdickten Köpfe der Schaufeln
in Drehrichtung zur Achse in jeder Schaufel verschieden, wobei die mittlere Schaufel
die größte Verdickung aufweist. Ebenso ist auch bei dieser Ausbildung über die gesamte
radiale Höhe der Drehwinkel gleich groß.
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Um nun diese Nachteile der bekannten Ausführung zu beheben, ist die
Vermehrung der Schaufeln des Reaktionsgliedes erforderlich, so daß diese dichter
aneinander folgen, so daß die Schaufeln die Radiallinien schneiden und die Flüssigkeit
gezwungen ist, der Schaufelform besser zu folgen, ohne daß ein gerader Durchfluß
gegeben ist. Diese Vermehrung der Schaufeln und das gegenseitige Überlappen der
aneinanderfolgenden Schaufeln führt zu einer weiteren Verengung der Durchgänge zwischen
den einander benachbarten Schaufeln an der der Drehachse am längsten liegenden Stelle.
Macht man dagegen den Winkel der Auslaßkante der Schaufeln zur Vergrößerung des
Durchganges größer, dann entsteht wieder der Nachteil eines wirkungslosen Durchflusses.
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Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Einrichtungen bei
einem Leitschaufelrad für Flüssigkeitsgetriebe mit geschlossenem Flüssigkeitskreislauf
und einem über I : I liegenden Übersetzungsverhältnis durch die Kombination an sich
bekannter Einzelmerkmale vermieden, die darin bestehen, daß die Schaufeln des Leitrades
mit stark abgerundeten und verdickten Köpfen versehen sind und ihre Zahl und Form
so gewählt ist, daß jede durch die Drehachse des Getriebes gelegte Meridianebene
wenigstens eine der Schaufeln schneidet und der Auslaßwinkel j eder Schaufel an
den von der Drehachse entfernteren Teilen größer ist als an den der Achse benachbarten
Teilen.
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Durch diese Kombination der an sich bekannten Teilmerkmale wird erreicht,
daß der auf dem ungehinderten Durchfluß bestehende Mangel an der Stelle des größten
Durchmessers, an der er am meisten auftritt, behoben wird, während an der Stelle
des kleinsten Durchmessers eine unzulässige Verengung des Durchganges vermieden
wird.
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Der Auslaß des Kanals nimmt hierbei zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Schaufeln eine mehr der rechteckigen Form oder eine dieser hydraulisch gleichwertigen,
der rechteckigen Form nahekommende Gestalt an und kann gegebenenfalls vollkommen
rechteckig gehalten werden. Es lassen sich ferner an dem äußeren Teil des Leitrades
selbst bei einer kleinen Schaufelzahl unerwünschte, enge Durchgänge und gleichzeitig
an dem Ausläß am inneren Teil des Leitrades das Auftreten unerwünschter Reibungsverluste
vermeiden.
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Je näher das Leitrad an der Achse liegt, desto größer ist der verhältnismäßige
Unterschied zwischen den Umfangslängen der äußersten und innersten Teile und desto
größer ist dann auch der Unterschied zwischen i den Auslaßwinkeln an diesen Stellen.
Die
neue Ausführung ist nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt Fig. I
schematisch einen Schnitt durch einen hydraulischen Flüssigkeitswandler, Fig. 2
die Abwicklung der Schnitte zweier Schaufeln des Leitrades nach Fig. I auf einer
Zylinderfläche durch die Linie A-A der Fig. I, Fig. 3 die Abwicklung der gleichen
Schaufeln auf einer Zylinderfläche durch die Linie B-B der Fig. I, Fig. 4 die gleiche
Abwicklung nach Linie C-C der Fig. I und Fig. 5 die Form des Auslaßkanals zwischen
diesen beiden Schaufeln.
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Der hydraulische Wandler nach Fig. I besteht aus dem Pumpenrad I,
dem Turbinenrad 2 und dem Leitrad 3. Das Leitrad 3 sitzt an dem inneren Teil des
Flüssigkeitskreislaufes. Die Drehachse des hydraulischen Wandlers ist durch die
Linie 4 angedeutet.
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Das Leitrad ist von einer Anzahl von unter sich gleichen Schaufeln
gebildet, von denen zwei aufeinanderfolgende Schaufeln 6, 7 in den Fig. 2 bis 4
dargestellt sind. Der Raum zwischen diesen aufeinanderfolgenden Schaufeln bildet
einen Kanal, durch den die Flüssigkeit des hydraulischen Kreislaufes strömt, so
daß ihr eine nach vorn gerichtete Strömungsrichtung, bezogen auf die Drehrichtung
des Pumpenrades, erteilt wird. Fig. 3 und die gestrichelten Linien in Fig. 2 und
4 zeigen die Abwicklung an drei Querschnitten (der größten, der mittleren und der
kleinsten Entfernung an der Achse) die Auslaßenden üblicher Leitradschaufeln, durch
die die Richtung des Flüssigkeitsstromes nach vorn in einen Winkel von etwa 7o°
bestimmt werden soll. Die Zahl der Schaufeln kann so gewählt werden, daß bei der
mittleren Entfernung (B-B in Fig. I und 3) die Anordnung für jeden gewünschten Auslaßwinkel
ausreicht. Aus der Fig.3 ergibt sich, daß jede durch die Drehachse gelegte Meridianebene
wenigstens eine der Schaufeln schneidet, ohne daß jedoch der Austrittsquerschnitt
unzulässig klein wird. Nach Wahl der größten Schaufelzahl für den Mittelabstand
von der Achse ergeben sich die Bedingungen für den größten Abstand an der Achse
(A -A in Fig. I) nach Fig. 2. Wenn die Ausströmungsrichtung mit 7o° beibehalten
wird, die gestrichelt angedeutet ist, ist es möglich, senkrechte Linien in einem
gewissen Bereich zu ziehen, die keine der Schaufeln schneiden, woraus sich ergibt,
daß ein Teil der Flüssigkeit durch das Leitrad strömt, ohne von den Schaufeln beeinflußt
zu werden. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit wird somit nicht in dem gewünschten
Maß nach vorn verändert, und als weiterer Nachteil stellen sich erhöhte Wirbelbildung
und ein Absinken des Wirkungsgrades ein.
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Die an der Stelle der geringsten Entfernung an der Achse (C-C in Fig.
I) herrschenden Bedingungen sind in Fig. 4 dargestellt. Bei der Beibehaltung einer
Auslaßrichtung von 7o°, wie gestrichelt eingezeichnet, ergibt sich an dieser Stelle
eine Breite 5 des Austrittsquerschnittes nach der gestrichelten Linie, die sehr
klein ist und zu einer erhöhten Reibung sowie anderen Verlusten führt.
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Die neue Ausführung der Schaufeln ist in Fig. 2 bis 4 voll ausgezogen
dargestellt. Die Form der Schaufeln weicht in dem Mittelabstand (Fig. 3) nicht von
der bisherigen Ausführung ab. Bei dem größten Achsabstand (Fig. 2) ist der Auslaßwinkel
jedoch über der Normalgröße gehalten und beträgt für eine Normalstellung von 7o°
jetzt etwa 74° 30'. Demzufolge ergibt sich auch in diesem Bereich eine ausreichende
Überlappung der Schaufeln, so daß kein Teil der Flüssigkeit unabgelenkt durch das
Leitrad hindurchfließen kann. Auch ergibt sich wegen des verhältnismäßig großen
Abstandes an der Umlaufachse an dieser Stelle der Schaufeln trotz des größeren Winkels
keine unzulässige Verengung des Austrittsquerschnittes.
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An der Stelle des geringsten Achsabstandes ist der Auslaßwinkel unter
der Normalgröße gehalten und beträgt etwa 62° (Fig. 4). Demzufolge ist der Auslaßquerschnitt
zwischen den Ausströmkanten der Schaufeln 6, 7 an dieser Stelle über das Normalmaß
erweitert, so daß keine unerwünschte Verengung eintritt. Gleichzeitig ist aber die
Minderung des Auslaßwinkels in solchen Grenzen gehalten, daß in Achsrichtung sich
kein freier Durchgangsquerschnitt bildet.
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In Fig. 5 zeigen die gestrichelten Linien in etwa die Form des Auslaßquerschnittes
bei in bekannter Weise ausgebildeten Leitradschaufeln an, während in ausgezogenen
Linien der nach der Erfindung verwirklichte rechteckige Querschnitt dargestellt
ist. Vorteilhaft ist die Breite des Auslasses über die ganze Höhe gleichgehalten,
so daß der Winkel zwischen den Auslaßenden benachbarter Schaufeln in radialer oder
annähernd radialer Richtung (d. h. der Winkel zwischen den Linien io-ii und 12-i3
in Fig. 5) gleich Null ist, doch kann die Form des Auslasses von diesem günstigsten
rechteckigen Querschnitt in geringen Grenzen abweichen. Die aus dem Verwinden der
Schaufeln sich ergebende Form des Austrittsquerschnittes führt zu einer Verminderung
der Verluste und damit zu einer erhöhten Leistung.
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Die Änderung des Austrittswinkels über die radiale Höhe der Schaufeln
erfolgt zweckmäßig gleichförmig, und der Winkel nimmt mit dem Radialabstand zu.
Vorteilhaft bewegt sich der Austrittswinkel zwischen einem Minimum von 6o bzw. 65°
und einem Maximum von 7o bzw. 75°, wenn der Flüssigkeitsstrom nach vorn um einen
Winkel von etwa 7o° abgelenkt werden soll.
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Die Schaufeln sind an dem Eintrittsende mit stark abgerundeten und
verdickten Köpfen versehen, wie dies die Fig. 2 bis q. zeigen.