DE4010970C2

DE4010970C2 - Hydrodynamischer Retarder

Info

Publication number: DE4010970C2
Application number: DE4010970A
Authority: DE
Inventors: Klaus Vogelsang
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 1990-04-05
Filing date: 1990-04-05
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2010-04-06
Also published as: BR9101421A; US5193654A; DE4010970A1

Description

Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Retarder mit einem in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Rotorschaufel rad und einem Statorschaufelrad gemäß dem Oberbegriff des An spruches 1.

Ein Retarder dieser Gattung ist aus der DE-PS 31 13 408 be kannt. Dieser Retarder dient dabei als Energiewandler in einer Windkraftanlage zur Umsetzung der Windenergie in Wärme, vor zugsweise unter Zwischenschaltung eines Wärmetauschers. Dabei ist es erforderlich, die Charakteristik des Retarders an die Kennlinie der Kraftmaschine, z. B. der Windkraftanlage, anzupas sen. Dies erfolgt bei dem bekannten Retarder mittels einer Vor richtung, mit der das Statorschaufelrad gegenüber dem Rotor schaufelrad radial in eine außermittige Lage verstellt werden kann. Das Statorschaufelrad ist dazu fest auf einer Achse ex zentrisch befestigt, so daß bei deren Drehung relativ zum Ro torschaufelrad eine Exzentrizität herbeigeführt werden kann. Bei Drehung der das Statorschaufelrad tragenden Achse können das Rotor- und Statorschaufelrad in einer Stellung fluchten. Bekannt ist ferner eine lineare Längsführung für das Stator schaufelrad, mit der die exzentrische Lage der beiden Schaufel räder zueinander herbeigeführt werden kann.

Arbeitet der Retarder mit einer Windkraftanlage zusammen, so liegt das Zusammenwirken zweier Strömungsmaschinen mit densel ben Grundkennlinien vor, nämlich einem über der Drehzahl para bolischen Verlauf der entwickelten bzw. absorbierten Leistung. Dieser Umstand führt beim bekannten Retarder dazu, daß sich eine Regelung auf eine feste Einstellung eines Maximalwertes für das Bremsmoment bzw. die Bremsleistung des Retarders beschränken kann. Dadurch wird bereits durch die eigene Kennung erreicht, daß der Retarder nur wenig Leistung aufnimmt, wenn die Windkraftanlage nur wenig Leistung entwickeln kann. Eine weitere Regelung ist für den Betriebsablauf nicht erforderlich, abgesehen von einer Totalentleerung des Bremsengehäuses, z. B. aus Sicherheitsgründen.

Bekannt sind darüber hinaus noch Möglichkeiten, den Retarder über eine Druckregelung, also eine Beeinflussung des vom Stator- und Rotorschaufelrad eingeschlossenen torusförmigen Arbeitsraumes mit verschiedenen Betriebszuständen zu betreiben. Je nachdem, welcher Betriebszustand angestrebt wird, also z. B. konstantes Bremsmoment über einen großen Drehzahlbereich, so ist darüberhinaus auch damit zu rechnen, daß ein größerer Profildurchmesser für den Retarder erforderlich ist. Dies ist ein negativer Einfluß für die Anwendung von Retardern in Fahrzeugen, insbesondere bezüglich der Baugröße und des Gewichtes.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Retarder der bekannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß die Anpassung an verschiedene Betriebszustände mit einfachen Mitteln und mit minimalem technischen Aufwand möglich ist.

Diese erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 charakterisiert. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist eine Retarderregelung vorgesehen, die weitgehend druckunabhängig ist mittels einer gezielten Lageregelung der beiden Schaufelräder des Retarders zueinander. Das Statorschaufelrad wird so gelagert, daß die auf die Beschaufelung wirkenden Strömungskräfte sowohl in ein Brems-Reaktionsmoment und gleichzeitig in eine bremsmomentproportionale Umfangskraft umgewandelt wird. Das Statorschaufelrad entwickelt dabei eine Kraft, mit der das Rad selbst einer bezüglich des Rotorschaufelrades exzentrischen Lage zustrebt. Das Statorschaufelrad ist mit einer Verstelleinrichtung verbunden, die eine Verstellkraft ausübt, welche der vom Statorschaufelrad ausgeübten Kraft entgegengerichtet ist. Erfindungsgemäß ist das Statorschaufelrad durch eine als einseitig mit Druckmittel beaufschlagbare Einreichtung ausgeführte Verstelleinrichtung in eine bezüglich der Lage des Rotorschaufelrades exzentrische Lage verschwenkbar. Der Verstellkraft der Verstelleinrichtung ist dabei im Betrieb des Retarders stets eine Reaktionskraft entgegengerichtet, welche sich als eine zwischen den Beschaufelungen von Rotor- und Statorschaufelrad, teilweise in Umfangsrichtung des Statorschaufelrades wirksame Brems-Reaktionskraft ergibt, die von der zwischen Rotor- und Statorschaufelrad wirkenden Arbeitsflüssigkeit hervorgerufen wird. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, durch variable Drücke auf die Verstelleinrichtung das Statorschaufelrad in eine ganz bestimmte Position bezüglich der Achse des Rotorschaufelrades zu bewegen und somit die Entwicklung eines bestimmten Bremsmomentes herbeizuführen. Die vom Statorschaufelrad aus dem Brems-Reaktionsmoment abgeleitete Kraft wird dadurch ins Gleichgewicht gesetzt mit der Verstellkraft aus der Verstelleinrichtung, welche dadurch unmittelbar ein Maß darstellt für das entwickelte Bremsmoment. Die Regelung des Bremsmomentes erstreckt sich somit nur noch auf den Aufbau einer variablen Verstellkraft, wodurch sich der Aufwand für eine Retarder- Regelung stark vereinfacht.

Vorzugsweise ist die Verstelleinrichtung derart ausgeführt, daß diese wenigstens eine Zylinder-Kolbeneinheit umfaßt, wobei der Kolben als Regelkolben fungieren kann. Eine derartige Verstelleinrichtung ist beispielsweise in der DE 8 39 159 für den Anwendungsfall einer hydraulisch-me chanischen Bremse beschrieben.

Gemäß den Ansprüchen 3 bis 5 ist das Statorschaufelrad durch eine Linearführung geführt, an der eine als Zylinder- Kolbeneinheit mit Regelkolben ausgeführte Verstelleinrichtung direkt angreift. Zur Gewinnung einer bremsmomentproportionalen Umfangskraft ist im Statorschaufelrad auf einer Seite der im Bereich einer durch das Zentrum des Statorschaufelrades gelegten Normalebene bezüglich der Längsachse der Linearführung ein schaufelfreier Bereich vorgesehen, in dem wenigstens eine Schaufel fehlt. Dadurch herrscht Ungleichgewicht der Umfangskraft parallel zur Längsachse der Längsführung, so daß eine Kraft in der Achse der Längsführung entsteht, welche dem entwickeltem Bremsmoment proportional ist.

Im Anspruch 6 ist eine Ausführung beschrieben, bei der das Statorschaufelrad um einen außerhalb der Beschaufelung befindlichen Drehpunkt schwenkbar ist. Das in der Stator- Beschaufelung entwickelte Brems-Reaktionsmoment wirkt auch als Drehmoment um den außerhalb des Stators befindlichen Drehpunkt. Mit dem Statorschaufelrad ist auch bei dieser Ausführungsform eine als Zylinder-Kolbeneinheit ausgebildete Verstelleinrichtung mit einem Regelkolben vorgesehen, so daß mit variablem Steuerdruck eine Schwenkbewegung des Statorschaufelrades um den exzentrischen Drehpunkt möglich ist.

Die Ansprüche 7 bis 10 kennzeichnen weitere konstruktive Maßnahmen. Vorgesehen ist, daß jeweils in einer Endlage der Verstelleinrichtung das Statorschaufelrad dem Rotorschaufelrad mittig gegenübersteht, wobei die fluchtende Lage der beiden Schaufelräder immer dann erreicht wird, wenn die aus dem Steuerdruck in der Verstelleinrichtung resultierende Kraft größer ist als die aus dem Bremsmoment im Statorschaufelrad entwickelte Kraft. Das minimale Bremsmoment ist erreicht, wenn das Bremsengehäuse entleert ist, so daß sowohl das Statorschaufelrad die extreme ausgeschwenkte Lage einnimmt und ferner im Bremsengehäuse nur noch Luftventilation herrscht. Dies kann aus Sicherheitsgründen erforderlich sein.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Zeichnungen, welche Ausführungsbeispiele zeigen, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 eine schematische Darstellung eines Retarders mit Stator-Längsführung in zwei Endlagen;

Fig. 3 und 4 eine schematische Darstellung eines Retarders mit schwenkbarem Statorschaufelrad;

Fig. 5 eine vergleichende Diagramm-Darstellung mit verschiedenen Kennlinien.

Die Fig. 1 zeigt in einer Schemadarstellung einen Retarder 1 mit einem Gehäuse 2, in dem ein mit einer Antriebswelle (nicht dargestellt) verbundenes Rotorschaufelrad 3 einem im Gehäuse drehfest angeordneten Statorschaufelrad 4 gegenübersteht. Die einander zugewandten Beschaufelungen bilden einen torusförmigen Arbeitsraum, der mit Betriebsflüssigkeit füllbar ist. Das Statorschaufelrad 4 ist mittels einer Längsführung 10 entlang einer Längsachse 11 senkrecht zur Drehachse 5 des Rotorschau felrades 3 exzentrisch verschiebbar. Die Statorachse 6 kann da bei in einer der Endlagen der Längsführung 10 mit der Rotor achse 5 fluchten. Mit der Längsführung 10 ist eine Verstellein richtung 12 verbunden, welche einen Zylinder 13 mit einem Re gelkolben 14 umfaßt, steuerbar durch einen variablen Regeldruck pst. Eine als Pumpe ausgebildete Druckquelle 16 ist mit einer Steuer- und Regeleinrichtung 15 verbunden, die entsprechend einem von außen kommenden Steuerbefehl einen variablen Steuer druck pst erzeugt. Als Medium kann die Betriebsflüssigkeit des Retarders dienen oder z. B. Druckluft aus dem Bremssystem bei Fahrzeugretardern.

Die Beschaufelung 7 des Statorschaufelrades 4 ist mit einem schaufelfreien Bereich 9 versehen. Dieser liegt auf einer Seite der Beschaufelung 7 in einer durch die Statorachse 6 gelegten und auf die Längsachse 11 der Längsführung 10 bezogenen Normal ebene 8. Dadurch entsteht beiderseits der Längsachse 11 eine Unsymmetrie in der Beschaufelung 7. Bei Rotation des Rotor schaufelrades 3 in Pfeilrichtung (Rotorschaufelrad 3 geklappt dargestellt) entsteht gegenüber dem schaufelfreien Bereich 9 eine unausgeglichene Reaktionskraft in Richtung der Längsachse 11, welche das Statorschaufelrad 4 aus der mittigen Lage bezüg lich des Rotorschaufelrades 3 drängt. Diese Kraft ist eine dem Bremsmoment direkt proportionale Kraft. Um das Statorschaufel rad 4 bezüglich dem Rotorschaufelrad 3 in eine bestimmte Lage zu bringen und entsprechend der Exzentrizität ein bestimmtes Bremsmoment zu erzeugen, muß die Verstelleinrichtung 12 eine entsprechende Gegenkraft entwickeln. Das Kräftegleichgewicht stellt der Regelkolben 14 mit dem variablen Steuerdruck pst her. Das höchste Drehmoment wird bei gegebener konstanter Dreh zahl stets bei fluchtender Lage der Stator- bzw. Rotorachsen 5, 6 erzeugt, bei zunehmender Exzentrizität entsteht kleineres Bremsmoment, und eine kleinere Gegenkraft an der Verstellein richtung 12 ist erforderlich, um das Statorschaufelrad 4 in dieser Stellung zu halten. Durch Verschiebung des Kräfte gleichgewichts mittels des variablen Steuerdruckes pst kann auf einfache Weise ein großes Kennfeld bestrichen werden, auch zur Erzielung eines konstanten Bremsmomentverlaufes.

Die Fig. 2 zeigt den Retarder nach Fig. 1, wobei das Stator schaufelrad 4 entlang der Längsführung 10 in die andere Extrem lage geschoben ist. Das kann diejenige Lage sein, bei der das Statorschaufelrad 4 um die radiale Höhe der Schaufeln verscho ben ist, was einer Minimierung des Bremsmomentes nahekommt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Bauart der Verstellein richtung. Das Statorschaufelrad 4 ist in einem außerhalb der Beschaufelung 7 gelegenen Drehpunkt 17 drehbar gelagert. Die Beschaufelung 7 des Statorschaufelrades weist keinen schaufel freien Bereich auf. Das erzeugte Drehmoment ist auch am exzen trischen Drehpunkt 17 wirksam und wirkt auf das Statorschaufel rad 4 in der Drehrichtung des Rotors. Dadurch entsteht eine ex zentrische Lage der Schaufelräder zueinander. Das Statorschau felrad 4 kann über eine an einem Hebel 18 angreifende Verstell einrichtung mit Zylinder 13 und Regelkolben 14 mittels verän derlichen Steuerdruckes pst in die einzuregelnde Position ge bracht werden. Das Statorschaufelrad vollzieht dabei eine Schwenkbewegung w. Die eine Endlage ist dabei wiederum die fluchtende Lage der Achsen 5, 6 der Schaufelräder, die andere Endlage wie bei der Ausführung nach Fig. 2 diejenige mit Exzen trizität entsprechend der Schaufelhöhe. Reicht diese Extremlage zur Reduktion des Bremsmomentes bei gefülltem Arbeitsraum nicht aus, so kann bei beiden Ausführungsbeispielen das Bremsengehäu se 2 über eine Entleereinrichtung 19 entleert werden, z. B. aus Sicherheitsgründen.

Die Fig. 5 zeigt ein Retarderkennfeld mit Darstellung des Bremsmomentes M über der Rotordrehzahl n. Die Kurve a zeigt den Verlauf des Bremsmomentes für einen bekannten druckgesteuerten Retarder. Vom Nullpunkt bis zum Betriebspunkt B folgt das Mo ment einer Parabel, bis zum Betriebspunkt A folgt ein typischer weicher Übergang zum annähernd konstanten Bremsmomentverlauf.

Soll der Retarder auf den Betriebspunkt A ausgelegt werden, nämlich für maximales Moment bei minimaler Drehzahl, so muß der Retarder eine der Parabel bis zum Punkt B entsprechende Profil größe haben, also relativ großer Durchmesser, hohes Gewicht, große Außenabmessungen.

Mit der Erfindung ist der Betriebspunkt A steuerbar, weil durch eine direkte Momentensteuerung horizontale Regelkurven c und d möglich sind, die zwischen dem Nullpunkt und dem Betriebspunkt A von einer flacheren Parabel b begrenzt sind. Diese flachere Parabel b entspricht einem kleineren Retarder-Profildurch messer, was zu günstigeren Retarder-Abmessungen führt.

Die Parabel b entspricht dabei der fluchtenden Lage der Ro tor- bzw. Statorachsen 5, 6. Bei zunehmender Exzentrizität die ser Achsen entstehen flachere Parabeln e bis h für das Brems moment, wobei die Parabel h der größten Exzentrizität ent spricht. Der Übergang erfolgt dabei stetig und stufenlos. Ent lang der Regelkurve c beispielsweise ist die Verstellkraft des Regelkolbens, also entsprechend der Steuerdruck pst, ebenfalls konstant, da ja der Steuerdruck dem Bremsmoment M direkt pro portional ist. Als Folge davon aber wird bei konstantem Steuer druck pst und demnach konstantem Bremsmoment die Exzentrizität variabel. Wird bei hoher Drehzahl ein Bremsvorgang eingeleitet, so wird bei vorgegebenem Steuerdruck zunächst eine große Exzen trizität zwischen den Rotor- und Statorachsen 5, 6 eingeregelt. Mit sinkender Drehzahl nimmt die Exzentrizität ab, das Brems moment folgt den Parabeln g bis e, und bei fluchtenden Achsen ist die steilste Parabel b erreicht, die durch den Auslegungs punkt A verläuft. Dieser Vorgang der sich selbst reduzierenden Exzentrizität ist ein selbsttätig ablaufender Gleichgewichts- Pendelvorgang. Die Strömung im Retarder und die Beaufschlagung der Stator-Beschaufelung 7 wird so beeinflußt, daß bei hoher Drehzahl eine nur geringe Überdeckung der Schaufeln, also große Exzentrizität, ausreicht, um dasselbe Bremsmoment wie bei nied riger Drehzahl und hoher Überdeckung der Beschaufelung, also geringer Exzentrizität bzw. fluchtender Lage, zu erzeugen.

Claims

1. Hydrodynamischer Retarder mit einem feststehenden Gehäuse, das mit Arbeitsflüssigkeit füllbar ist, sowie mit einem mit der Antriebswelle verbundenen drehbaren Rotorschaufelrad und einem nicht rotierenden Statorschaufelrad, das gegenüber dem Rotorschaufelrad in eine exzentrische Lage verstellbar ist, und mit einer Verstelleinrichtung zum Verstellen des Statorschaufelrades, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1.1 die Verstelleinrichtung (12) ist einseitig mit Druckmittel beaufschlagbar;
1.2 das Statorschaufelrad (4) ist mit der Verstelleinrichtung (12) in die exzentrische Lage verschwenkbar;
1.3 der Verstellkraft der Verstelleinrichtung (12) ist stets eine Reaktionskraft entgegengerichtet, die sich als eine zwischen den Beschaufelungen von Rotor (3) - und Statorschaufelrad (4), teilweise in Umfangsrichtung des Statorschaufelrades (4) wirksame Brems- Reaktionskraft ergibt, welche von der zwischen Rotor (3) - und Statorschaufelrad (4) wirkenden Arbeitsflüssigkeit hervorgerufen wird.

2. Retarder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (12) wenigstens eine mit einem Druckmittel beaufschlagbare Zylinder-Kolbeneinheit (13) umfaßt.

3. Retarder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

3.1 das Statorschaufelrad (4) ist an einer linearen Führung (10) geführt;
3.2 das Statorschaufelrad (4) weist an seiner Beschaufelung (7) auf einer Seite der im Bereich der durch das Zentrum des Rades gelegten Normalebene (8) bezüglich der Längsachse (11) der linearen Führung (10) wenigstens eine Schaufel weniger auf.

4. Retarder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Führung (10) direkt mit der als Zylinder- Kolbenheit (13) mit Regelkolben (14) ausgeführten Verstelleinrichtung (12) gekoppelt ist.

5. Retarder nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorschaufelrad (4) im Bereich seines Zentrums linear geführt ist.

6. Retarder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorschaufelrad (4) mittels der Verstelleinrichtung (12) um einen außerhalb des Schaufelrad-Zentrums (6) gelegenen Drehpunkt (17) schwenkbar ist.

7. Retarder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (13) der Verstelleinrichtung (12) über eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (15) mit einer Druckquelle (16) in Verbindung steht, womit der auf den Kolben (16) der Verstelleinrichtung (12) wirkende Druck regelbar ist.

8. Retarder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Endlagen der Verstelleinrichtung (12) das Statorschaufelrad (4) dem Rotorschaufelrad (3) innerhalb des Bremsgehäuses (2) mittig gegenübersteht.

9. Retarder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die bezüglich des Rotorschaufelrades (3) mittige Lage des Statorschaufelrades (4) bei Anlegung des höchsten Druckwertes in die Zylinder-Kolbeneinheit (13) der Verstelleinrichtung (12) erreicht wird.

10. Retarder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremsgehäuse (2) mit den zwischen dem Rotorschaufelrad (3) und dem Statorschaufelrad (4) befindlichen Arbeitsraum entleerbar ausgeführt ist.