AT205541B

AT205541B - Maschinensatz mit einer füllungsgeregelten Strömungskupplung und einer hierüber angetriebenen Arbeitsmaschine, insbesondere Bremsluftkompressoranlage für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: AT205541B
Application number: AT342957A
Authority: AT
Original assignee: Voith Gmbh J M
Priority date: 1956-06-25
Filing date: 1957-05-24
Publication date: 1959-10-10
Also published as: US3020719A; DE1140595B; GB862017A

Description

Maschinensatz mit einer füllungsgeregelten Strömungskupplung und einer hierüber angetriebenen Arbeitsmaschine, insbesondere Bremsluftkompressoranlage für Schienenfahrzeuge
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laufendes Schöpfrohr ausgebildet sein und sind dann schlecht zugänglich. Ausserdem ist die erstgenannte Ausführungsform umständlich und sehr störanfällig. Bei Verwendung eines feststehenden Schöpfrahres da- gegen ist infolge der pulsierenden Flüssigkeifikräfte ein Schöpfrohrbruch möglich. In diesem Fall wurde sich die Kupplung sofort vollständig füllen, und die angetriebene Maschine (etwa der Kompressor) könnte dann Infolge Übertourung zerstört werden.

Um bei der erfindungsgemässen Einrichtung trotz des feststehenden Kupplungsgehäuses die Wandreibung möglichst klein zu halten, wird nach einer Weiterbildung eine am Turbinenrad befestigte und das Pumpenrad teilweise oder ganz von aussen umfassende Schale vorgesehen, die durch an ihrem äusseren Durchmesserbereich angeordnete Ausnehmungen, Öffnungen od. dgl. mit grossem Querschnitt ein vollständiges und schnelles Entleeren des Arbeitsraumes ermöglicht. Die Wandreibung zwischen der Turbinenradschale und dem Gehäuse ist dann geringer als zwischen entsprechenden Teilen des Pumpenrades und dem Gehäuse, da die Turbinenraddrehzahl stets um den Schlupf kleiner ist als die Pumpenraddrehzahl.

Die nunmehr zusätzlich auftretende Wandreibung zwischen dem Pumpenrad und der Turbinenradschale wird dagegen als Nutzdrehmoment auf der Antriebsseite wirksam und ist daher nicht als Verlust anzusehen.

Da die Wandreibungsverluste mit der fünften Potenz des Durchmessers anwachsen, genügt es übrigens schon, wenn die Turbinenradschale das Pumpenrad nur an dessen äusserem Durchmesserbereich überdeckt.

Zum Erleichtern der Montage werden dabei die das Pumpenrad teilweise von aussen umfassende Turbinenradschale sowie der ihr unmittelbar benachbarte Teil der Rückwand des Pumpenrades zahnkranzartig ausgebildet, u. zw. derart, dass Pumpen- und Turbinenrad durch axiales Verschieben in ihre gegenseitige Betriebslage gebracht werden können.

Eine weitere Verringerung der Wandreibungsverluste kann noch dadurch erzielt werden, dass der Aussendurchmesser des Arbeitsraumes der Strömungskupplung so klein gewählt wird, als dies mit Rücksicht auf die zu übertragenden Drehmomente zulässig ist. Dabei ist jedoch insbesondere bei Kolbenkompressoren oder andern anzutreibenden Kolbenarbeitsmaschin'n zu berücksichtigen, dass das Losbrechmoment (das zum Überwinden der Reibung der Ruhe erforderlich ist) mitunter dreimal so gross ist wie das grösste Betriebsdrehmoment. In diesen Anwendungsfällen wird daher der Aussendurchmesser des Arbeitsraumes so klein bemessen, dass die Strömungskupplung bei voller Füllung, kleinstmCglicher Pumpendrehzahl (und damit kleinster Motordrehzahl) und stillstehendem Turbinenrad (und stehendem Kompressor)
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brechmoment.

Die Massnahme zum Verkleinern des Aussendurchmessers und damit der Wandreibung kann fernerdadurch unterstützt werden, dass auch der Innendurchmesser des Kupplungsarbeitsraumes möglichst klein bemessen wird, u. zw. so klein, als dies mit Rücksicht auf die Abmessungen der Kupplungswellen und deren Lager möglich ist.

Ferner ist es zweckmässig, das Pumpenrad der Strömungskupplung in an sich bekannter Weise fliegend auf seiner Antrieb welle - etwa einer Getriebewelle oder der Motorwelle - anzuordnen, da dann wenig Lager und Dichtungen erforderlich sind und sich geringe umlaufende Primärmassen und damit eine geringe Schwingungsanfälligkeit ergeben. Hiebei wird ausserdem das Lager der Pumpenradwelle vorteilhaft ausserhalb des für die Arbeitsflüssigkeit zugänglichen Kupplungsraumes vorgesehen. Bei laufendem Motor und ausgeschalteter (ganz entleerter) Kupplung braucht dann kein im Kupplungsraum befindliches Lager geschmiert zu werden. Dadurch wird vermieden, dass das Schmieröl solcher Kupplungslage in den entleerten Arbeitsraum gelapgen und diesen aufheizen könnte.

Beim Anfahren insbesondere von Kolbenarbeitsmaschinen muss die Strömungskupplung das bereits erwähnte grosse Losbrechmoment übertragen. Es bildet sich dabei im Arbeitsraum der Kupplung eine besonders starke Kreisströmung zwischen Pumpen- und Turbinenrad gemäss Pfeil 26 der Fig. 2 aus. Diese Kreisströmung darf sich nun nicht entgegen dem Fülldruck derFüllpumpe auswirken, da sonst nur ein teilweises Füllen der Kupplung erreichbar wäre oder aber die Füllpumpe für einen hohen Druck ausgelegt sein müsste. Die Füllkanäle werden daher in an sich bekannter Weise in den Pumpenradschaufeln angeordnet, u. zw. so, dass sie etwa radial auswärts und in den Kernraum des Arbeitsraumes führen. Diese Füllkanäle wirken dann ausserdem noch als Drucksteigerungspumpe.

Zur Beschleunigung der Füllvorgänge werden ferner Entlüftungskanäle in den Turbinenradschaufeln angeordnet, die am Kernringraum beginnen, vorzugsweise radial einwärts führen und mit einem überdrucklosen Raum in Verbindung stehen.

Die vorbeschriebene Anordnung der Füll- und Entlüftungskanäle ist wohl bei Strömungskupplungen mit umlaufendem Gehäuse schon bekannt. Dort wirken aber diese Kanäle etwas anders als bei der Kupp-

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Das Pumpenrad 8 ist fliegend angeordnet, und das ihm benachbarte Lager 24 der Getriebewelle ist durch die Dichtung 25 gegen das Kupplungsinnere abgedichtet. Bei laufendem Motor und damit auch laufendem Pumpenrad sowie bei ganz entleerter Kupplung brauchen daher keir e Kupplungslager geschmiert zu werden. Die Lager 22 und 23 für die Turbinenradwelle benötigen bei diesem Betriebszustand keine Schmierung, da dann das Turbinenrad steht. Bei gefällter Kupplung werden diese Lager durch das Kupplungsöl geschmiert.

Bei grossem Kupplungsschlupf stellt sich eine Kreisströmung gemäss Pfeil 26 ein. In diesem Fall kann die im Kernraum 27 sich ansammelnde Luft durch die Entlüftungskanäle 28 in den Turbinenradschaufeln sowie durch die weiteren Kanäle 29,30, 31 und 34 in einen drucklosen Raum entweichen. Bei geringer Kreisströmung, aber grosser Umlaufgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 22 sammelt sich dagegen die Luft inAchnähe an und kam dann durch die zusätzlichenEntlüftungskanäle 33 mit kleinerem Querschnitt abströmen.

Das Füllen und Entleeren der Strömungskupplung wird dllrch das Ein-und Ausschaltventil 77 mit verschiebbarem Steuerkolben 35 bewirkt. Solange die Luftdruck in dem Bremsluft-Sammelbehälter 14 einen festgesetzten Höchstdruck nicht überschreitet, befindet sich der Steuerkolben unter der Wirkung der Feder 36 in seiner obersten Stellung. Hiebei kann die Füllpumpe 37 Öl aus einem Ölsammelbehälter 38 über die Steuerkanäle 39 und 40 sowie der Verbindungskanal 41 in den Ringraum 42 fördern. Von dort gelangt das Öl über Kanäle 43, 44, 45, die axiale Durchbohrung 46 der Turbinenradwelle, den Ringraum 47, Kanäle 48 und die ir Pumpenradschaufeln angeordneten radial auswärts gerichteten Kanäle 49 in den Kernraum 27 des Kupplungsarbeitsraumes.

Die Kolbenring-Dichtungen 71,72 und 73 dichten die Füllkanäle 43, 44 und Entlüftungskanäle 30, 31 gegeneinander bzw. zum Arbeitsraum der Kupplung (Lager 22) und zum Lager 23 hin ab.

Sobald der Druck in dem Luftbehälter 14 den Höchstwert erreicht, verschiebt er den Steuerkolben 35 entgegen der Kraft der Feder 36 nach unten. Die Verbindung del Steuerkanäle 39, 40 wird dabei unterbrochen, während gleichzeitig die Entleerleitung 50 über die Steuerkanäle 51. 52 mit t : er in den Ölsammelbehälter führenden Rücklaufleitung 53 verbunden wird. Die Strömungskupplung entleert sich nunmehr.

Dat selbsttätiggesteuerte Füllungsregelventil 78 mit dem verschiebbaren Steuerkolben 55 dient zum stufenlosen Verändern der Kupplungsfüllung. Hiebei wirken der Überlagerungsdruck sowie der nur am Kupplungsumfang in voller Höhe wirksame Fliehkraftdruck der Kupplungsflit. ; sigkeit durch den Verbindungskanal 56 auf die untere Stirnseite 57 des Steuerkolbens 55. Über den an einer achsnahen Stelle des Kupplungsgehäuses beginnenden Kanal 58 gelangt dagegen lediglich der Überlagerungsdruck zur oberen Stirnseite 59 des Steuerkolbens.

Dieser wird somit allein unter dem Einfluss des Fliehkraftdruckes entgegen der Kraft der Feder 60 nach oben verschoben und gibt einen dem jeweiligen Fliehkraftdruck entsprechend grossen Teil des dreieckförmigen Auslass-Querschnittes 61 frei, von wo das Kupplungsöl über die Rücklaufleitung 62 in den Ölsammelbehälter 38 abfliessen kann. Bei hoher Sekundärdrehzahl und grossem Fliehkraftdruck stellen sich demnach selbsttätig ein grosser Abflussquerschnitt und eine kleine Kupplungsfüllung ein. und umgekehrt.

Zum Erhöhen der Sicherheit dient noch ein Sicherheitsventil mit einem Ventilkörper 63 und einer Ventilfeder 64. Sofern die an sich sehr betriebssichere Kupplungssteuerung trotzdem jemals versagen sollte, presst der bei Überdrehzahl erzeugte hohe Fliehkraftdruck der Kupplungsflüssigkeit den Ventilkörper 63 nach unten, worauf sich dann die Kupplung über den Auslasskanal 65 und die Leitung 66 zumindest soweit entleert, dass der Kompressor nicht übertourt wird.

Sämtliche Teile der Kupplungssteuerung sind von aussen bequem zugänglich und leicht zu überwa- chen. Diese Ausführung der Kupplungssteuerung ist somit für die eingangs geschilderten Anwendungsgebiete mit geforderter grosser Betriebssicherheit besonders geeignet.

Ausser den gesteuerten Auslassöffnungen ist zusätzlich noch eine ungesteuerte, dauernd offene Abspritzbohrung 67 mit kleinem Querschnitt vorgesehen, durch die zwecks Kühlung während des Kupplungsbetriebes stets eine kleine Menge heisser Betriebsflüssigkeit austreten kann.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE : 1. Maschinensatz mit einer füllungsgeregelten Strömungskupplung und einer hierüber angetriebenen Arbeitsmaschine, die während eines überwiegenden Teiles ihrer Betriebszeit einen grossen Kupplungs- schlupf und etwa ihr grösstes Betriebsdrehmoment erfordert, insbesondere Bremsluftkompressoranlage für Schienenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskupplung (7) in an sich bekannter Weise <Desc/Clms Page number 5> mit einem feststehenden und den Kupplungsarbeitsraum nach aussen abdichtenden Kupplungsgehäuse (15, 16) versehen ist und dass ferner in oder an diesem feststehenden Kupplungsgehäuse die Steuerorgane (77, 78) für die FUllungsregelung angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine an sich bekannte, am Turbinenrad (10) befestigte und das Pumpenrad (8) teilweise oder ganz von aussen umfassende Schale (18) vorgesehen ist, und dass ferner diese Schale an ihrem äusseren Durchmesserbereich angeordnete ungesteuerte Ausnehmungen oder Öffnungen (21) mit so grossem Querschnitt aufweist, dass hiedurch selbst bei dem grössten erforderlichen Flüssigkeitsdurchsatz keine merkliche Drosselung erzeugt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die das Pumpenrad teilweise von aussen umfassende Turbinenrad-Schale (18) sowie der dieser unmittelbar benachbarte Teil der Rückwand des Pumpenrades zahnkranzartig ausgebildet sind (Zähne 20,19), u. zw. derart, dass bei der Montage Pumpenrad und Turbinenrad durch axiales Verschieben in ihre gegenseitige Betriebslage gebracht werden können.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere mit einem Kolbenkompressor oder einer andern anzutreibenden Kolben-Arbeitsmaschine, gekennzeichnet durch einen so klein bemessenen Aussendurchmesser des Arbeitsraumes der Strömungskupplung, dass diese bei voller Füllung, kleinstmöglicher Pumpendrehzahl und stillstehendem Turbinenrad noch ein Drehmoment überträgt, das um einen kleinstzulässigen Sicherheitsbetrag, höchstens um etwa 50go, grösser ist als dies zum Losbrechen der anzutreibenden Maschine (13) erforderlich ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Kupplungs-Arbeitsraumes in an sich bekannter Weise so klein bemessen ist, als dies mit Rücksicht auf die Abmessungen der Kupplungswellen und deren Lager möglich ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsfüllkanäle (49) in an sich bekannter Weise durch die Pumpenradschaufeln etwa radial auswärts und in den Kernraum (27) des Arbeitsraumes führen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch an sich bekannte, in den Turbinenschaufeln angeordnete, am Kernringraum (27) beginnende und vorzugsweise radial einwärts führendebntlüftungsleituugen (28), die mit einem uberdrucklosen Raum in Verbindung stehen.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch zusätzliche Entlüftungskanäle (33), die von achsnahen Stellen des Arbeitsraumes zu einem überdrucklosen Raum führen und deren Querschnitt wesentlich kleiner ist als der Querschnitt der Entlüftungskanäle (28) des Kernringraumes.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung der Strömungskupplung ein Ein- und Ausschaltorgan (77) aufweist, das den Arbeitsraum der Strömungskupplung wahlweise mit der Füllpumpe (37) oder mit einer Entleerungsleitung (53) verbindet und ferner gekennzeichnet durch ein gesondertes Füllungsregelorgan (78), das zum stufenlosen Verändern der Grösse einer Auslassöffnung (61) des Kupplungsarbeitsraumes dient.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ftlllungsre- gelorgan (78) selbsttätig, u. zw. in Abhängigkeit von der Turbinenraddrehzahl oder aber vom Fliehkraftdruck der Kupplungsflüssigkeit, gesteuert wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllungsregelorgan (78) einerseits durch den Fliehkraftdruck und den Überlagerungsdruck der Kupplungsflüssigkeit im Sinne einer Füllungsverkleinerung und anderseits durchden Überlagerungsdruck und eine Rückstellkraft (Rückstellfeder 60) im Sinne einer Filllungsvergrösserung beeinflusst wird.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche l bis 11, gekennzeichnet durch ein als Überdrehzahlschutz dienendes und vorzugsweise als Tellerventil ausgebildetes Überdruckventil (63), das beim Überschreiten des der höchstzulässigen Arbeitsmaschinendrehzahl zugeordneten Fliehkraftdruckes der Kupplungsflüssig- keit für diese eine Auslassöffnung (65) freigibt.