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Flüssigkeitswirbelbremse Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitswirbelbremse
mit einem Rotor und einem Stator, die miteinander verbundene, ringförmig angeordnete,
von Schaufeln gebildete Taschen haben, in denen die Flüssigkeit umläuft. Die infolge
der Wärmeentwicklung beim Betrieb einer solchen Bremse erforderliche Flüssigkeitsströmung
durch die Bremse erfolgte bisher in der Hauptsache auf zwei Wegen. Entweder wurde
Wasser in die Bremse gepumpt, oder die Bremse wurde so ausgebildet, daß sie selbst
eine Pumpwirkung hat. Bei der letztgenannten Art von Bremsen ist vorgeschlagen worden,
durch die Statorhälften geführte Bohrungen für das Einströmen von Wasser in die
Rotortaschen vorzusehen.
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Bremsen der erwähnten Art haben sich in der Praxis und vor allem in
der Erdölindustrie bewährt, jedoch weist die Anordnung von Wassereinlaßrohren, die
sowohl radial als auch in Umfangsrichtung geneigt sind, gewisse Nachteile auf, die
die volle Ausnutzung des Wirkungsgrades einer Bremse dieser Art verhindern. Beispielsweise
behindern die sich durch die Taschen des Stators erstreckenden Einlaßrohre die Wasserströmung
durch die Statortaschen, indem die wirksamen Ouerschnittsflächen der Taschen herabgesetzt
werden und die Wasserströmung unter Wirbelbildung mehr oder weniger unterbrochen
wird.
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Ein weiterer Nachteil dieser Bremsen ist durch den Umstand bedingt,
daß das Wasser unmittelbar in die Rotortaschen einströmt, so daß das Wasser wegen
des aufeinanderfolgenden Vorbeigangs der Rotorschaufeln an den Einlaßöffnungen der
Rohre in die Rotortaschen nur pulsierend eintreten kann. Bei Bremsen dieser Art
strömt das die Bremse verlassende Ablaufwasser durch den Spalt zwischen dem Rotor
und dem Stator an deren Umfang ab. Als Folge der unmittelbaren Einströmung von Wasser
in die Rotortaschen tritt ein Teil des frischen, kühlen Wassers aus, bevor es mit
dem erwärmten Wasser gründlich vermischt werden kann oder den vollen Arbeitsgang
hinter sich hat. Wenn die Bremse mit maximaler Leistung arbeitet, müssen die Rotortaschen
mindestens nahezu ganz mit Wasser gefüllt sein, woraus notwendigerweise folgt, daß
unter diesen Bedingungen ein kleineres Volumen frischen, kühlen Wassers eingeleitet
werden kann, als wenn die Taschen nur teilweise gefüllt sind.
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Es sind auch Flüssigkeitswirbelbremsen bekannt, bei denen die Flüssigkeitseinlässe
an der dem Rotor abgekehrten Wand unmittelbar in die Taschen des Stators ausmünden.
Meist enden die Zulaufrohre einfach in der Statorwand, wodurch die Strömung des
Wassers an dieser Stelle gestört wird. Aber auch ein einziges tangential angeordnetes
Wasserzulaufrohr im Bereich der Taschen gibt zu erheblicher Turbulenz und damit
zu einer Herabsetzung des Wirkungsgrades der Bremse Anlaß.
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Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Flüssigkeitswirbelbremse dadurch
gekennzeichnet, daß die dem Rotor abgekehrten Wände der Statorhälften sich in in
axialem Abstand befindlichen Ebenen einander überdecken und so tangential verlaufende,
radial gerichtete Flüssigkeitseinlaßöffnungen bilden.
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Es handelt sich also bei der erfindungsgemäßen Bremse um eine Vorrichtung,
bei welcher der Wasserzulaß ringsum in allen Wassertaschen stattfindet. Hierbei
ist es wesentlich, daß die Flüssigkeit radial ohne Behinderung strömen kann, und
zwar in den Statortaschen radial nach innen und in den Rotortaschen radial nach
außen. Durch diese freie Strömung soll die Turbulenz vermieden werden, die bekanntlich
die Bremswirkung verringert und die Flüssigkeit unnötig erhitzt. Durch die erfindungsgemäße
Maßnahme wird erreicht, daß die frische Flüssigkeit tangential aus dem Zulaßraum
einströmt und von der in den Taschen umlaufenden Flüssigkeit mitgerissen wird. Deshalb
braucht keinerlei Druckwasser verwendet zu werden.
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Dadurch, daß die Statorwand hinter der Einlaßöffnung nach außen vom
Rotor abgesetzt ist, ergibt sich, daß die inneren Taschenabschnitte des Stators
eine größere Breite haben als die äußeren Abschnitte, wodurch die zusätzlich in
die Taschen eintretende Flüssigkeit Platz findet. Das neu eintretende Wasser muß
deshalb die bereits umlaufende Flüssigkeit nicht verdrängen und findet deshalb weniger
Widerstand.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch die Bremse, Fig.2 in einem etwas
vergrößerten Maßstab eine Teilansicht einer Statorhälfte, Fig. 3 einen Teilschnitt
nach der Linie 3-3 in Fig. 1, Fig. 4 einen Teilschnitt nach der Linie 4-4 in Fig.
2, Fig. 5 einen Teilschnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 2 und Fig. 6 eine Teilansicht
des Rotors.
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In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 die Welle der Bremse,
deren eines Ende 11 aus der Bremse zur Verbindung mit einem umlaufenden Teil herausragt,
dessen Drehzahl geregelt werden soll. Der Rotor 12 ist mittels eines Keils 13 auf
der Welle 10 verkeilt. Zu beiden Seiten des Rotors sind Statorhälften 14 angeordnet.
Jede Statorhälfte 14 ist mit einem Ringflansch 15 versehen, der mit einem Ringflansch
17 einer feststehenden Nabe 16 mittels Schraubbolzen 18 fest verbunden ist. In den
Naben 16 sind Dichtungen 19 angeordnet. Die Welle 10 ist in Wälzlagern 20
gelagert, die durch je eine mittels Schraubbolzen 22 an der Nabe 16 befestigte Ringscheibe
21 abgedeckt und geschützt sind.
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Der Rotor 12 (Fig. 1 und 6) ist in bekannter Weise mit Taschen 25
ausgebildet, die durch abwechselnd kürzere und längere Schaufeln 26 und 27 begrenzt
sind. Die Schaufeln 26 enden längs der Linien 28, während die Schaufeln 27 sich
bis zu den radial inneren Enden 29 der Taschen erstrecken, so daß jeweils vereinigte
Taschen 30 zwischen den radial inneren Teilen der Schaufeln 27 gebildet werden.
Hierdurch wird ein wesentlich höherer Gleichförmigkeitsgrad in der Strömung des
Wassers durch die Bremse erzielt. Die Schaufeln 26 und 27 sind in bekannter Weise
geneigt.
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Die Statorhälften sind in Fig. 1 bis 5 dargestellt. Jede Statorhälfte
ist mit durch die Schaufeln 35 und 36 gebildeten radialen Taschen 34 versehen. Die
Schaufeln 36 erstrecken sich zu den radial inneren Enden 37 der Taschen in der gleichen
Weise wie die Schaufeln 27 des Rotors 12. Die Schaufeln 35 erstrecken sich nach
innen nur bis zu den Linien 38 (Fig. 1 und 2), so daß die Taschen 34, die durch
die Schaufeln 35 zwischen zwei Schaufeln 36 gebildet werden, in Taschen 39 übergehen,
die den Taschen 30 im Rotor 12 entsprechen.
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Jede Statorhälfte ist mit einer an sich bekannten Kernringscheibe
42 ausgebildet, die eine unerwünschte Wasserströmung zwischen den Rotor- und Statortaschen
verhindert. Die Innenfläche jeder Statorhälfte liegt in einer Ebene 43, mit welcher
die Innenfläche der Kernringscheibe 42 zusammenfällt. In ähnlicher Weise enden die
entgegengesetzten Flächen des Rotors in Ebenen 44, die parallel zu den jeweiligen
Ebenen 43 sind und einen kleinen Spalt 45 bilden.
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In Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Statorhälften an ihrem äußeren
Umfang mit Flanschen 48 ausgebildet sind, deren Stirnflächen 49 flüssigkeitsdicht
aneinanderliegen. Am äußeren Umfang des Rotors 12 ist eine Ringnut 50 eingearbeitet,
die das Gewicht des Rotors verringert. Das Wasser strömt durch den Spalt 45 radial
nach außen in die Ringräume 51. Die Auslaßleitungen 52 sind in die Flansche 48 eingeschraubt
und stehen mit den Ringräumen 51 in Verbindung, wobei die Leitungen 52 zu einer
Auslaßsammelleitung 53 führen, die mit einer Austrittsleitung 54 für das Ausströmen
von Wasser aus der Bremse versehen ist. Soweit ist die Anordnung an sich bekannt.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die dem Rotor 12 abgekehrten Wände 58, 59 der Statorhälften
14 erfindungsgemäß in in axialem Abstand befindlichen Ebenen einander überdecken
und so tangential verlaufende, radial gerichtete Flüssigkeitseinlaßöffnungen 60
(Fig. 1 3, 4, 5) bilden, die durch zwischenliegende Rippen 61 des Statorgehäuses
getrennt sind, wobei von einzelnen dieser Rippen 61 sich die Statorschaufeln 36
radial nach innen erstrecken, wie Fig. 3 zeigt. Die Einlaßöffnungen 60 erstrecken
sich in ihrer Längsrichtung in Umfangsrichtung der Bremse und sind quer dazu verhältnismäßig
schmal, wie aus Fig. 4 und 5 ersichtlich. Die Innenfläche jeder Wand 58 der Statorhälften
14 verläuft gerade und flach, so daß das durch die Einlaßöffnungen 60 in die Statortaschen
39 einströmende Wasser im wesentlichen parallel zur Wand 58 strömt. Das Wasser strömt
in den verhältnismäßig breiten Taschen 39 von der Linie 38, an welcher die Schaufeln
35 enden, radial nach innen.
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Jede Statorhälfte 14 ist mit Ringflanschen 65 und 66 ausgebildet,
welche zwischen sich eine Sammelleitung 67 bilden, in die das Wasser durch eine
Anschlußleitung 68 einströmt. Jede Sammelleitung 67 ist durch eine Ringscheibe 69
abgedeckt (Fig. 1). An die Außenfläche jeder Wand 59 der Statorhälften
14 sind Warzen 70 (Fig. 1 und 3) angegossen, in deren Gewindebohrungen die
Schraubbolzen 71 zur Befestigung der Ringscheiben 69 eingeschraubt sind. Arbeitsweise
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, fließt das Wasser in den Taschen der Bremse in Richtung
der Pfeile. Das Wasser strömt durch die Rotortaschen infolge der Fliehkraftwirkung
des Rotors radial nach außen und bewirkt zwangläufig eine Strömung des Wassers in
den Statortaschen radial nach innen. Von den Statortaschen 39 tritt das Wasser wieder
in die Rotortaschen 30 radial innerhalb der Kernringscheiben 42 ein.
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Die Kernringscheiben 42 verhindern, daß das Wasser einen Kurzschlußweg
durch Querströmung zwischen den Rotor- und Statortaschen nimmt. Hierdurch wird der
Wirkungsgrad der Bremswirkung erhöht.
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Durch das Fehlen von Einströmrohren, die die Statortaschen 34 durchqueren,
wird jede Störung der Strömung des Wassers durch diese Taschen vermieden. Die Rotor-
und Statortaschen weisen keine Elemente auf, die eine Störung der Flüssigkeitsströmung
herbeiführen könnten. Dies wirkt sich in einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Bremse
aus.
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Die Wassereinströmöffnungen 60 sind im Schnitt vorzugsweise rechteckig,
wobei jede derselben vorzugsweise eine Länge hat, die durch den Umriß der zugehörigen
Tasche ermöglicht wird. Es ist vorzuziehen, jede der Öffnungen 60 so eng als möglich
zu machen. Der Druck des Wassers muß nur so hoch sein, daß das maximale Wasservolumina
in den ringförmigen Sammelleitungen 67 aufrechterhalten wird. Es ist infolge der
erfindungsgemäßen Gestaltung der Wassereinströmvorrichtung nicht erforderlich, das
Wasser unter hohem Druck zuzuführen.
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Das einströmende Wasser wird mit dem in Umlauf befindlichen Wasser
vermischt und hat keine Möglichkeit, aus der Bremse auszutreten, bis es nicht mindestens
annähernd drei Viertel eines Durchlaufs ausgeführt hat, wie aus Fig. 1 ersichtlich,
so daß eine wirksame Herabsetzung der Wassertemperatur erzielt wird.
Der
die Ringräume 51 um den Rotor füllende Wasserring bildet eine Dichtung, die
eine unmittelbare Verbindung zwischen den Auslässen 52 und dem Inneren der Bremse
verhindert.
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Bei der Konstruktion gemäß der Erfindung tritt der erwünschte Zustand
ein, daß eine höhere Einströmgeschwindigkeit von Frischwasser beim Betrieb mit großem
Widerstand, also ganz gefüllter Bremse, erzielt wird als bei Betrieb mit niedrigem
Widerstand und geringerer umlaufender Wassermenge. Gerade bei Betrieb mit hoher
Leistung ist es wichtig, einen maximalen Zustrom von kühlem Wasser in die Bremse
aufrechtzuerhalten. Es wird in diesem Zusammenhang besonders darauf hingewiesen,
daß bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung keine Hilfsspeisepumpe oder eine andere
äußere Druckwasserquelle erforderlich ist.