DE2164067A1

DE2164067A1 - Hydrokinetische Vorrichtung, insbe sondere Dynammeter, Bremse oder Dreh momentswandler

Info

Publication number: DE2164067A1
Application number: DE19712164067
Authority: DE
Inventors: Robert John Worcester Worcestershire Lawson (Großbritannien)
Original assignee: REDMAN HEENAN FROUDE Ltd
Current assignee: REDMAN HEENAN FROUDE Ltd
Priority date: 1971-01-04
Filing date: 1971-12-23
Publication date: 1972-08-03
Also published as: IT944617B; FR2121254A5; ES398594A1; AU3728471A

Description

! „-ta η Tu η wait

Karl A. B r ο s e

Dipl.-lt-.j.

D -8023 ,Viu.-.chen - PuIIach
Witaerstr.2.T.Mdm.7933570.79317«2

DBr/au München-Pullach, 22. Dezember 1971

REDMAN HEENAN FROUDE LIMITED, Shrub Hill Road, Worcester, Worcestershire, England

Hydrokinetische Vorrichtung, insbesondere Dynamometer, Bremse oder Drehmomentswandler.

Die Erfindung betrifft eine hydrokinetische VoEichtung, wie beispielsweise hydrokinetische Dynamometer, Bremse oder Drehmomentswandler.

Wenn zur Untersuchung eines Motors ein hydraulisches Dynamometer verwendet wird, ist es vorteilhaft, daß das Dynamometer eine ganz allgemein ansteigende Drehmoments-Geschwindigkeitscharakteristik aufweisen soll. Diese Charakteristik ist hierbei als die Drehmoments/Geschwindigkeitskurve definiert, die mit einer festen Einstellung der Dynamometersteuerung und einer Änderung der Geschwindigkeit erreicht wird, indem die Drosselklappeneinstellung der Maschine geändert wird. Um diese Charakteristik zu erreiche^, ist in vielen Fällen eine komplizierte und teure Steuerausstattung erforderlich, um die Füllmenge in der Arbeitskammer des Dynamometers zu regeln. Bei hydraulischen Dynamometern vom Froude-Typ wird Flüssigkeit in die Arbeitskammer von einer äusseren Zufuhr in einen Niederdruckbereich eingeleitet, wobei dieser Bereich der Mittelpunkt des Wirbels ist, der durch die in der Arbeitskammer zirkulierende Flüssigkeit gebildet wird, wobei die Zirkulation um die Arbeltskammer

209832/0634

unter Einfluß der durch Drehung des Rotors hervorgerufenen Zentrifugalkraft erfolgt. Dieses Verfahren des Einleitens der Flüssigkeit in das Dynamometer weist den Nachteil auf, daß unter einem konstanten Einlaßdruck in einigen Zeitspannen ein Punkt auftritt, an dem die Flüssigkeit wegen der Pumpwirkung des Rotors die Arbeitskammer verläßt und zwar mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit von der äusseren Quelle ersetzt werden kann. Wenn dies auftritt, kann sich die Drehmoment/Geschwindigkeitskurve von einer steigenden Charakteristik in eine scharf abfallende Charakteristik ändern. Diese abfallende Charakteristik kann bis zu einem gewissen Maße vermieden werden, indem Flüssigkeit in den Mittelpunkt des Wirbels in der Arbeitskammer bei einem Druck eingepumpt wird, der proportional der Geschwindigkeit des drehenden Rotors ist. Jedoch kann an irgendeinem Punkt der Drehmoment/Geschwindigkeits-Envelope des Dynamometers eine kleine Verringerung des Drehmomentes für eine gegebene Vergrösserung der Geschwindigkeit auftreten.

Die Erfindung hat sich die Auf gab erstellt, diese Nachteile zu vermeiden.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einer hydrokinetischen Vorrichtung, wie beispielsweise einem hydrokinetischen Dynamometer, Bremse oder Drehmomentswandler, mit einem Paar von relativ zueinander drehbaren Teilen, deren Innenflächen eine Kraftabsorptiom-oder Ubertragungskammer definieren, im wesentlichen dadurch gelöst, daß ein Flüssigkeitseinlaß in eine dieser Flächen vorgesehen ist und sichln die Kammer öffnet und diese Fläche mit einem Vorsprung versehen ist, der derart im Bereich des Einlasses angeordnet 1st, daß im Betrieb die Geschwindigkeit der darübenströmenden Arbeitsflüssigkeit den Eintritt der Flüssigkeit in die Kammer steuert.

209832/0634

Bei diesem System ändert sich die Geschwindigkeit der in der Kraftabsorptionskammer zirkulierenden Flüssigkeit mit der relativen Drehgeschwindigkeit der beiden Teile. Eine Vergrösserung der Relativgeschwindigkeit beispielsweise führt zu einer Vergrößerung derZirkulationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit und umgekehrt. Der Vorsprung schafft in wirksamer Weise einen Niederdruckbereich am Einlaß in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit und es folgt daraus,.daß der Druck in diesem Bereich sich proportional mit der Relativgeschwindigkeit der beiden Teile ändert. Daraus ergibt sich, daß ein Flüssigkeitsausgleich oder Gleichgewicht innerhalb der Vorrichtung erreicht wird, welches gewährleistet, daß deren Drehmoment/Geschwindigkeit-Kurve eine allgemein ansteigende Charakteristik aufweist und stabiler ist.

Vorzugsweise wird das Paar relativ drehbarer Teile durch einen Rotor und einen Stator gebildet.

Weiterhin ist erfindungsgemäß eine hydrokinetische Einrichtung geschaffen, die drei oder mehr Teile aufweist, bei denen Jedes Paar nebeneinanderliegender Teile relativ um eine gemeinsame Achse drehbar ist und die Innenflächen eines jeden nebeneinanderliegenden Paares eine entsprechende Kraftabsorptions- oder Ubertragungskammer definieren, ein Flüssigkeitseinlaß in einer der Oberflächen eines jeden Paares sich in die entsprechende Kammer öffnend vorgesehen ist, und jede dieser Oberflächen mit einem Vorsprung versehen ist, der im Bereich des entsprechenden Einlasses derart angeordnet ist, daß im Betrieb die Geschwindigkeit der darüber strömenden Flüssigkeit den Eintritt der Flüssigkeit in die Kammer steuert. Es können drei Teile vorgesehen sein, die durch einen doppelseitigen Rotor.und zwei Statoren oder durch einen doppelseitigen Stator und zwei Roto-

209832/0634

ren gebildet sind.

Vorzugsweise ist die oder jede der Kammern symmetrisch um die Achse der relativen Drehung ausgebildet.

ber oder jeder Einlaß kann in der Form eines durchlaufenden ringförmigen Kanales vorgesehen sein oder es kann der oder jeder Einlaß durch eine Anzahl von Einzelkanälen gebildet sein, von denen je einer in eine entsprechende Kammer führt, oder falls die oder jede Kammer in eine Anzahl von Arbeitsabteilen unterteilt ist in eines dieser Abteile führt. Bei einer Ausbildungsform ist jeder Kanal durch ein Rohr gebildet, welches in die entsprechende Kammer vorsteht, wobei das freie Ende des Rohres den erwähnten Vorsprung bildet.

Im Betrieb kann Flüssigkeit mittels einer der Vorrichtung zugeordneten Pumpe in den oder jeden der Einlasse geleitet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in den Zeichnungen beispielhaft veranschaulichter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 einen skizzenhaften Längsschnitt durch ein hydrokinetisches Dynamometer,

Figur 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles von Figur 1, welche den Rotor und den Stator in größerer Genauigkeit zeigt,

Figur 3 eine abgewandelte Rotor- und Statorbauweise, Figur 4 einen skizzenhaften Längsschnitt durch ein hydrau-

209832/0634

lisches Dynamometer mit einem doppelseitigen Rotor und

Figur 5 einen skizzenhaften Längsschnitt durch ein hydraulisches Dynamometer mit einem doppelseitigen Stator.

In Figur 1 besteht das Dynamometer aus einem Gehäuse 1, welches in Form einer Kammer 2 ausgebildet ist, in der ein Rotor 3 und ein Stator 4 angeordnet sind. Der Rotor 3 ist auf einer drehbar in den Enden des Gehäuses 1 in Lagern 6 und 7 gelagerten Welle 5 befestigt. Der Stator 4 ist in dem Gehäuse 1 festgehalten und an einer zylindrischen Dichthülse 8 befestigt, die auf der Welle 5 angeordnet ist. Beide Enden der Welle 5 sind mit Kupplungseinrichtungen 9, 10 ausgebildet und das Dynamometer kann folglich verwendet werden, um Kraftmaschinen oder Turbinen zu untersuchen, d-ie im Uhrzeigersinn öder entgegen dem Uhrzeigersinn drehen, indem diese an das entsprechende Wellenende angekuppelt werden. Das Gehäuse ist in Lagerzapfen (nicht dargestellt) verschwenkbar aufgehängt, wobei der Grad der Verschwenkung eine Maßanzeige des absorbierten Drehmomentes liefert. Somit kann, obwohl es auch nicht dargestellt ist, das Gehäuse mit einem Drehmomentarm ausgebildet sein, dessen Reaktionskraft beispielsweise mit einer Spannungsmeßdose oder dergleichen gemessen werden kann.

Die zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildete Arbeitskammer 11, die durch Formen eines Torus von ungefähr elliptischer Form gebildet ist, kann durch nichtdargestellte Flügel in eine Anzahl von Kraftabsoprtionsabteilen ungefähr gleichen Volumens und ungefähr ringförmiger Gestalt unterteilt werden. Die Flügel des Rotors können entweder in einem der Drehrichtung entgegengesetzten Winkel oder längs der Achse der Maschine ein-

209832/0634

gestellt sein, während die Flügel des Stators in jedem Winkel eingestellt sein können, der dem Winkel an dem Rotor entgegengesetzt ist.

Beim Betrieb wird Flüssigkeit von einer äusseren Quelle, welche eine in dem Dynamometer eingebaute Pumpe sein kann, in die Kammer 11 über eine Einlaßkammer 12, die in dem Gehäuse ausgebildet ist und einen Einlaß 13 eingeleitet, welcherin dem Stator ausgebildet ist. Der Einlaß 13 kann die Form entweder eines durchlaufenden Ringkanales oder einer Anzahl von Einzelkanälen haben, von denen je einer in ein entsprechendes der Kraftabsorptionsabteile führt. Flüssigkeit von der Arbeitskammer wird in eine ringförmige Auslaßkammer 14 übertragen, und der Grad der Drehmomentsabsorption des Dynamometers wird durch ein nicht dargestelltes Ventil reguliert, welches entweder in der Einlaßoder in der Auslaßkammer eingepaßt ist und welches den Flüssigkeitsstrom im Inneren der Arbeitskammer steuert.

In Figur 2 dreht der Rotor um die Achse AA und hierbei wird der Flüssigkeitsfilm in den Schalen durch Wirkung der Zentrifugalkraft radial nach aussen beschleunigt, bis er eine Maximalgeschwindigkeit an der Rotorspitze 15 erreicht. Ein Teil dieser Flüssigkeit wird durch den Spalt 16 zwischen Rotor und Stator in den Auslaßringkanal 14 ausgestossen und der Rest der Flüssigkeit kehrt nach innen längs der Wandung der Stabrschale mit einer sich graduell verringernden Geschwindigkeit zurück. Die Allgemeinrichtung des Flüssigkeitsstromes ist durch Pfeile angedeutet. Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung einer Stufe oder einesWehres 17, welches im Bereich des Einlaßes 13 angeordnet ist und über das die Flüssigkeit bei ihrem Rückweg zu dem Fuß 18 des Rotors laufen muß. Die plötzlich beim überlaufen des Wehres freigelassene Flüssigkeit wird wegen der mit der Potentialströmung um oder über einen

209832/0634

Körper verbundenen hydrokinetischen Effekte somit am Ausgang des Einlasses 13 ein teilweises Vakuum erzeugt. Folglich wird Flüssigkeit vom Einlaß 13 in die Arbeitskammer mit einer Menge eingezogen, die durch die Geschwindigkeit des in der Kammer zirkulierenden Flüssigkeitsfilmes bestimmt wird.

Der Ausgang des Einlasses und das Wehr können irgendwo an der Innenfläche des Stators angeordnet sein und Figur 3 veranschaulicht eine abgewandelte Anordnung, bei der das Wehr 17 und der in den Figuren 1 und 2 veranschaulichte, axial verlaufende Einlaß 13 durch ein Wehr 19 und einen radial verlaufenden Einlaß 20 ersetzt sind. Letztere kann aus einem einzelnen durchgehenden Ringkanal oder eine Anzahl von Einzelkanälen bestehen, die je in ein entsprechendes Arbeitsäbteil führen. Das Arbeitsprinzip ist genau das gleiche, wie das unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschriebene, nämlich, daß ein an dem Wehr

19 erzeugtes teilweises Vakuum wirksam Flüssigkeit vom Einlaß

20 in die Arbeitskammer oder das Arbeitsabteil in einer Menge einleitet, die durch die Geschwindigkeit der in der Kammer zirkulierenden Flüsigkeit bestimmt ist.

Die in dem Rotor und Stator ausgebildeten Arbeitsabteile können von jeder Form oder Anzahl sein, vorausgesetzt, daß der in jedem Abteil umlaufende Flüssigkeitsfilm über ein Wehr verlaufen kann und dadurch einen Niederdruckbereich zum Hereinziehen neuer Flüssigkeit in das Abteil schaffen kann. Obwohl .in den oben beschriebenen Anordnungen ein Rotor und ein Stator vorgesehen sind, ist es offensichtlich, daß die Erfindung in ihrer Anwendung wesentlich allgemeiner ist und daß die Arbeitskammer zwischen zwei relativ beweglichen Teilen ausgebildet sein kann, beispielsweise einem Rotor und einem Stator oder zwischen zwei Rotoren. Hinzukommt, daß zwei oder mehere Rotoren

209832/0634

oder Statoren vorgesehen sein können und daß der oder die Rotoren und der oder die Statoren verschiedene Formen aufweisen können.

Beispielsweise zeigt Figur 4 skizzenhaft eine hydrokinetische Vorrichtung mit einem doppelseitigen Rotor 21, der auf einer Welle 22 montiert ist, welche in Lagern in einem Gehäuse 23 gelagert ist. In dem Gehäuse sind gleichfalls zwei Statoren 24 angeordnet, einer auf jeder Seite des Rotors und bilden mit diesem zwei Arbeitskammern 25.

Arbeitsflüssigkeit wird in die Abteile an der Hinterseite eines jeden Stators eingeleitet, von wo sie in die Arbeitskammer über Einlaßrohre 26 eingeführt wird. Die Richtung des Flüssigkeitsstromes in der Kammer ist durch Pfeile angedeutet. Die Geschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit in<ien Kammern 25, die über die Einlaßrohre 26 läuft, steuert den Eintritt von Flüssigkeit in die Kammern.

Figur 5 zeigt wiederum skizzenhaft eine hydrokinetische Vorrichtung mit einem doppelseitigen Stator 27, der in einem Gehäuse 28 angeordnet ist. Zwei Rotoren 29, einer auf jeder Seite des Stators, sind auf eine in Lagern in dem Gehäuse getragenen WeIe 30 angeordnet und bilden zwei Arbeitskammern

31 mit dem Stator.

Arbeitsflüssigkeit wird in ein mittleres Abteil in dem Stator eingeleitet, von wo sie in die Arbeitskammern über Einlaßrohre

32 geführt wird, wobei die Richtung des Flüssigkeitsstromes durch Pfeile angedeutet ist. Die Geschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit in den Kammern 21 steuert beim Laufen über die Einlaßrohre 32 den Eintritt von Flüssigkeit in die Kammern.

2098 3 2/0634

Die Arbeitsprinzipien der in den Figuren 4 und 5 veranschaulichten Bauweise sind dieselben, wie die unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 beschriebenen. Es ist jedoch ersichtlich, daß bei den in den Figuren 4 und 5 veranschaulichten Bauweisen das freie Ende eines jeden Einlaßrohres als das Wehr in der Arbeitskammer wirkt. Selbstverständlich kann diese Wehrform auch in den in den Figuren 1 bis 3 veranschaulichten Bauweisen verwendet werden und gleichermaßen können Wehrformen, wie sie in den Figuren 1 bis 3 veranschaulicht sind, in den in den Figuren 4 und 5 veranschaulichten Bauweisen verwendet werden.

Die Erfindung ist nicht auf die spezielle Form des oben beschriebenen Dynamometers beschränkt, sondern kann bei allen Arten von Dynamometern, Bremsen oder Drehmomentswandlern vom Typ der variablen Füllung verwendet werden, unabhängig von den verschiedenen Laststeuerungen und der Anzahl, Form, Größe oder Anordnung der Kraftabsorptions/Übertragungakammern und/ oder Abteile.

Sämtliche der in der Beschreibung erwähnten und in den Zeichnungen erkenbaren technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

209832/0634

Claims

- ίο -

PATENTANSPRÜCHE

\ΐΛ Hydrokinetische Vorrichtung mit einem Paar von relativ drehbaren Teilen, deren Innenflächen eine Kraftabsorptions- oder Übertragungskammer defilieren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitseinlaß (13, 20, 26, 32) in einer der Innenflächen sich in die Kammer öffnend vorgesehen ist, die eine Innenfläche mit einem Vorsprung (17, 19, 26, 32) versehen ist, der im Bereich des Einlasses derart angeordnet ist, daß im Betrieb die Geschwindigkeit der darüberströmenden Arbeitsflüssigkeit den Eintritt von Flüssigkeit in die Kammer steuert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar relativ drehbarer Teile durch einen Rotor (3) und einen Stator (4) gebildet ist.
3. Hydrokinetische Vorrichtung mit drei oder mehreren Teilen, bei der je ein Paar von nebeneinanderliegenden Teilen relativ um eine gemeinsame Achse drehbar ist und die Innenflächen der jeweils nebeneinanderliegenden Paare entsprechende Kraftabsorptions- oder Übertragungskammern definieren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitseinlaß (26, 32) in einer der Oberflächen eines jeden Paares sich in die entsprechende Kammer öffnend vorgesehen ist, und daß jede dieser Oberflächen mit einem Vorsprung (26, 32) versehen ist, der derart im Bereich des dazugehörigen Einlasses angeordnet ist, daß im Betrieb die Geschwindigkeit der darüberströmenden Arbeitsflüssigkeit den Eintritt von Flüssigkeit in die jeweilige Kammer steuert.

209832/0634
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Teile vorgesehen sind und durch einen doppelseitigen Rotor (21) und zwei Statoren (24) oder einen doppelseitigen Stator (27) und zwei Rotoren (29) gebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Kammer symmetrisch um die Achse der relativen Drehung ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Einlaß in Form eines Einzelkanales (13, 20, 26, 32) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Kammer in eine Anzahl von Arbeitsabteilen unterteilt ist und jeder Einzelkanal in ein entsprechendes dieser Abteile führt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal durch ein Rohr (26, 32) gebildet ist, welches in die entsprechende Kammer vorsteht und daß das freie Ende des Rohres den Vorsprung bildet.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Einlaß in Form eines durchgehenden Ringkanales (13, 20) ausgebildet ist.

Ϊ0. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Förderung der Flüssigkeit im Betrieb zu dem oder jedem der Einlasse eine Pumpe vorgesehen ist.

209832/0634

Leerseite