ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МУФТА
HYDRODYNAMIC COUPLING

Изобретение касается гидродинамической муфты согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Такая гидродинамическая муфта, которая, например, описывается в DE 19707172 C1, включает в себя насосное колесо и турбинное колесо, которые образуют друг с другом рабочую полость в форме тора. Рабочая полость может выборочно в большей или меньшей степени наполняться рабочей средой, чтобы путем изменения степени наполнения рабочей полости рабочей средой варьировать мощность, передаваемую гидродинамической муфтой от насосного колеса на турбинное колесо. Поэтому такая гидродинамическая муфта называется также гидродинамической муфтой, управляемой наполнением.
Чтобы обеспечить возможность варьируемого наполнения рабочей полости рабочей средой, вне рабочей полости предусмотрена также накопительная полость, которая вмещает в себя ту долю рабочей среды, которая выносится из рабочей полости при процессе опорожнения рабочей полости или, соответственно, которая еще не была введена в рабочую полость при процессе наполнения рабочей полости. Соответственно этому накопительная полость могла бы также называться уравнительным резервуаром.
Настоящее изобретение касается только таких гидродинамических муфт, у которых нет непосредственного соединения между накопительной полостью и рабочей полостью, через которое происходит обмен рабочей средой между двумя этими полостями, а у которой накопительная полость подсоединена к «внешнему» замкнутому контуру рабочей среды через проводящее рабочую среду соединение. Такой замкнутый контур рабочей среды направляет рабочую среду через выпуск рабочей полости из рабочей полости во внешнюю ветвь контура и через впуск рабочей полости обратно в рабочую полость. При этом «внешний» не обязательно означает, что ветвь контура или, соответственно, замкнутый контур рабочей среды расположен вне гидродинамической муфты, а он может быть также частично или полностью расположен внутри гидродинамической муфты или, соответственно, внутри охватывающего гидродинамическую муфту корпуса. Замкнутый контур рабочей среды служит, например, для того, чтобы при необходимости или постоянно охлаждать рабочую среду, для чего во внешней ветви контура расположен теплообменник или, соответственно, охладитель.
Управление степенью наполнения рабочей полости такого рода гидродинамической муфты, как описывается в DE 19707172 C1, традиционно осуществляется за счет того, что либо предусмотрен особый насос для наполнения муфты, посредством которого рабочая среда из накопительной полости качается в замкнутый контур, или за счет обеспечения свободного течения рабочей среды из накопительной полости в замкнутый контур за счет того, что накопительная полость выполнена в виде напорного резервуара, то есть расположена выше гидродинамической муфты, так что при открытии соответствующего клапана в проводящем рабочую среду соединении между накопительной полостью и замкнутым контуром рабочей среды рабочая среда за счет силы тяжести из накопительной полости втекает в замкнутый контур рабочей среды и это, в частности, поддерживается более низким давлением в месте разветвления.
Но на практике выяснилось, что оба названных решения - наполняющий насос и напорный резервуар - имеют недостатки. Наполняющий насос, хотя и работает надежно в любой возможной ситуации, однако требует дополнительной приводной мощности и приводит к высоким конструктивным затратам. Напорный резервуар работает энергетически экономично, так как не требуется никакая дополнительная приводная мощность, однако на практике возникали ситуации, в которых желаемая степень наполнения рабочей полости гидродинамической муфты не могла устанавливаться с желаемой точностью, так что передаваемый гидродинамической муфтой крутящий момент или, соответственно, передаваемая гидродинамической муфтой приводная мощность не соответствовала номинальному значению, заданному при управлении крутящим моментом или, соответственно, управлении мощностью.
Такое отклонение фактического значения передаваемой мощности от номинального значения передаваемой мощности может, в зависимости от случая применения гидродинамической муфты, влечь за собой другие неблагоприятные последствия. Если гидродинамическая муфта, например, как это возможно по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, применяется в приводном соединении между приводным двигателем и колесом вентилятора, чтобы создавать поток охлаждающего воздуха, который тогда охлаждает устройство или среду, в частности газ, то нежелательное отклонение мощности может приводить к недостаточной мощности охлаждения и вместе с тем к недопустимому подъему температуры.
В основу настоящего изобретения положена задача предоставить гидродинамическую муфту, которая поможет устранить названную проблему. Гидродинамическая муфта должна при этом работать точно или приблизительно также энергетически экономично, как и такого рода муфта, снабженная напорным резервуаром в качестве накопительной полости, и одновременно также надежно, как гидродинамическая муфта, снабженная наполняющим насосом. Кроме того, необходимо обеспечить низкие конструктивные затраты.
Задача изобретения решается с помощью гидродинамической муфты с признаками п.1 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения указаны предпочтительные и особенно целесообразные варианты осуществления изобретения.
Предлагаемая изобретением гидродинамическая муфта отличается тем, что накопительная полость, которая, как уже излагалось, через проводящее рабочую среду соединение вне рабочей полости подсоединена к замкнутому контуру рабочей среды и служит для приема выходящей из рабочей полости рабочей среды или, соответственно, для уравнивания поступающей в рабочую полость рабочей среды, выполнена в виде закрытой герметично относительно окружающей среды полости, снабженной подключением давления управления, чтобы иметь возможность подавать в накопительную полость давление управления для вытесняющей нагрузки рабочей среды.
Подключение давления управления может оканчиваться в накопительной полости таким образом, чтобы поступающая через подключение давления управления в накопительную полость среда, создающая давление управления, попадала в непосредственный контакт с зеркалом рабочей среды. Такое зеркало рабочей среды отделяет жидкую рабочую среду, например масло или воду, от воздушного пространства или газового пространства над рабочей средой. Во избежание контакта среды, создающей давление управления, с рабочей средой может быть также предусмотрено гибкое или перемещаемое ограничение, например мембрана или поршень, между подключением давления управления и рабочей средой, и отделять подключение давления управления от рабочей среды герметично относительно давления управления или, соответственно, герметично относительно рабочей среды.
В качестве среды, создающей давление управления, возможен, в частности, воздух или другой газ, отличающийся от воздуха. В одной из особых областей применения предлагаемой изобретением гидродинамической муфты она может служить для привода рабочего колеса вентилятора, которое непосредственно или опосредствованно охлаждает среду, в частности газ, отличающийся от воздуха, путем создания потока охлаждающего воздуха, и эта среда может одновременно использоваться в качестве среды, создающей давление управления.
Предпочтительно, если накопительная полость выполнена в виде кольцевой полости, которая проходит внутри гидродинамической муфты, в частности внутри охватывающего гидродинамическую муфту корпуса, радиально вне рабочей полости гидродинамической муфты вокруг рабочей полости. В частности, при таком расположении накопительной полости она может быть выполнена в виде стационарной полости и отделена стационарной перегородкой от насосного колеса и турбинного колеса, чтобы предотвращать завихрение рабочей среды и/или среды, создающей давление управления, в накопительной полости, посредством обращающихся конструктивных элементов насосного колеса или турбинного колеса.
Если гидродинамическая муфта охватывается корпусом, этот корпус может иметь две противоположные торцевые стороны, которые соединены друг с другом окружной стенкой. Через первую торцевую сторону проведен, в частности, выходной вал насосного колеса, а через вторую торцевую сторону, в частности, - выходной вал турбинного колеса.
Предпочтительно, если в первую торцевую сторону и/или во вторую торцевую сторону интегрировано множество проводящих рабочую среду каналов и/или такие каналы подсоединены к одной или обеим торцевым сторонам, в частности, проходя параллельно или по существу параллельно к ней/к ним. Эти проводящие рабочую среду каналы включают в себя по меньшей мере один слив рабочей среды, который направляет рабочую среду из выпуска рабочей полости во внешнюю ветвь контура, подвод рабочей среды, который направляет рабочую среду из внешней ветви контура во впуск рабочей полости, и проводящее рабочую среду соединение, посредством которого накопительная полость подсоединена к замкнутому контуру рабочей среды.
Наряду с названными соединениями предпочтителен байпас, подсоединенный или интегрированный в одну из двух торцевых сторон, который соединяет слив рабочей среды в отношении течения рабочей среды параллельно проводящему рабочую среду соединению, через которое накопительная полость подсоединена к замкнутому контуру рабочей среды, с подводом рабочей среды. В байпасе может быть расположен обратный клапан, который обеспечивает возможность течения рабочей среды исключительно в направлении от слива рабочей среды к подводу рабочей среды.
Во внешней ветви контура, которая, в частности, частично или полностью расположена вне корпуса гидродинамической муфты, предпочтительно расположен теплообменник для охлаждения рабочей среды.
Если гидродинамическая муфта имеет находящуюся с рабочей полостью в проводящем рабочую среду соединении вспомогательную полость, она предпочтительно расположена аксиально рядом с рабочей полостью и радиально внутри накопительной полости. Вспомогательная полость может служить для того, чтобы принимать в себя вытекающую из рабочей полости рабочую среду, например рабочую среду, вытекающую через разделительный зазор между насосным колесом и турбинным колесом. Из вспомогательной полости рабочая среда может, в частности, посредством подпорного насоса нагнетаться обратно в накопительную полость. Таким образом, обеспечивается то преимущество, что вспомогательная полость может быть выполнена не в виде окружной полости, так что упрощается ввод устья подпорного насоса. Вспомогательная полость может быть также снабжена завихряющей кромкой для переноса рабочей среды в область перед устьем подпорного насоса. Разумеется, возможны и другие варианты осуществления для нагнетания рабочей среды из вспомогательной полости в накопительную полость, например, включающие в себя переставляемую в радиальном направлении питающую трубку.
В частности, если в качестве среды, создающей давление управления, применяется газ, предпочтительно, если подвод рабочей среды имеет расширение поперечного сечения, в частности ступенчатое или, соответственно, скачкообразное расширение поперечного сечения, чтобы расширять рабочую среду у этого расширения поперечного сечения, предпочтительно до атмосферного давления. Благодаря этому может достигаться, во-первых, снижение скорости рабочей среды в подводе, что сокращает мощность потерь, и, возможно, в накопительной полости поглощаемая рабочей средой среда, создающая давление управления, будет удаляться, прежде чем она поступит в рабочую полость гидродинамической муфты и/или в область обращающихся конструктивных элементов.
Теперь изобретение будет описано наглядно с помощью одного из примеров осуществления и фигур.
Показано:
фиг.1: осевое сечение выполненной в соответствии с изобретением гидродинамической муфты;
фиг.2: сечение по линии A-A, указанной на фиг.1.
На фиг.1 показано осевое сечение гидродинамической муфты, проведенное через ее ось 25 вращения. Как насосное колесо 1, так и турбинное колесо 2 вращаются вокруг оси 25 вращения. Насосное колесо 1 приводится в движение приводом (приводной элемент) 15, в настоящем случае в виде ведущего вала, на котором установлен ременный шкив. Турбинное колесо 2 приводит в движение ведомую часть 16, в настоящем случае в виде ведомого вала, на котором установлен ременный шкив.
Насосное колесо 1 и турбинное колесо 2 вместе образуют торообразную рабочую полость (камеру) 3, в которой при приводе насосного колеса 1 возникает гидродинамическое циркуляционное течение, посредством которого приводная мощность от насосного колеса 1 передается на турбинное колесо 2. Степень наполнения рабочей полости 3 рабочей средой, которая образует циркуляционное течение (циркулирующий поток), может варьироваться. Для уравнивания предусмотрена накопительная полость (камера) 8, которая выполнена в виде стационарной полости (камеры), при этом все ограничительные стенки накопительной полости 8 не вращаются, и она охватывает рабочую полость 3 или, соответственно, насосное колесо 1 и турбинное колесо 2 в окружном направлении.
В проводящем рабочую среду соединении с рабочей полостью 3 находится вспомогательная полость (камера) 22, которая в настоящем случае расположена по существу на том же диаметре, что и рабочая полость 3 внутри гидродинамической муфты, и распространяется с одной осевой стороны или с обеих осевых сторон рабочей полости 3. Во вспомогательную полость 22 вдается подпорный насос 23, устье которого направлено против направления вращения насосного колеса 1 и турбинного колеса 2, так что находящаяся во вспомогательной камере 22 рабочая среда посредством возникающего перед устьем давления подпора вводится в трубу подпорного насоса 23.
Из подпорного насоса 23 рабочая среда течет дальше к выпуску 5 рабочей полости, который интегрирован в одну из торцевых сторон, в настоящем случае вторую торцевую сторону 13, через которую проведена ведомая часть 16. Выпуск 5 рабочей полости соответственно этому расположен не непосредственно в месте стыка между рабочей полостью 3 и охватывающим ее конструктивным пространством, а, так сказать, в направлении течения рабочей среды позади вспомогательной полости 22. Можно было бы также назвать рабочую полость 3 вместе со вспомогательной полостью 22 расширенной рабочей полостью гидродинамической муфты.
Показанная на фиг.1 гидродинамическая муфта имеет корпус 11, который включает в себя первую торцевую сторону 12, через которую проведен привод 15, вторую торцевую сторону 13, а также соединяющую эти две торцевые стороны 12, 13 окружную стенку 14. В настоящем случае окружная стенка 14 выполнена цельно со второй торцевой стороной 13, а первая торцевая сторона 12 привернута с торцевой стороны к окружной стенке 14.
Вал, несущий насосное колесо 1, и вал, несущий турбинное колесо 2, оперты каждый на две опоры 26, которые предпочтительно смазываются и/или охлаждаются рабочей средой. Для уплотнения внутреннего пространства корпуса 14 у ведущего вала или, соответственно, ведомого вала относительно окружающей среды предусмотрены уплотнительные кольца или, соответственно, уплотнения 27. При этом могут быть приняты меры, в частности, в виде расширительных пространств, чтобы рабочая среда в опорах 26 расширялась, так чтобы содержащийся в ней газ, который используется в качестве среды, создающей давление управления, мог удаляться через уплотнения 27 в окружающую среду.
В корпусе 11 гидродинамической муфты предусмотрено подключение 10 давления управления, которое оканчивается в накопительной полости 8, так что среда, создающая давление управления, может вводиться через подключение 10 давления управления (или множество таких подключений) в накопительную полость 8, чтобы в большей или меньшей степени вытеснять рабочую среду, которая находится в накопительной полости 8, в зависимости от величины давления управления среды, создающей давление управления. Вытесненная рабочая среда течет через проводящее рабочую среду соединение 9, которое ниже описывается со ссылкой на фиг.2, в замкнутый контур 4 рабочей среды (см. также фиг.2) и оттуда через впуск 7 рабочей полости в рабочую полость 3, например, через предусмотренные между впуском 7 рабочей полости и рабочей полостью 3 наполнительные отверстия.
Как видно, впуск 7 рабочей полости расположен соответственно выпуску 5 рабочей полости в месте стыка расширенной рабочей полости, то есть в направлении течения перед вспомогательной полостью 22, при этом также могло бы быть предусмотрено непосредственное соединение между впуском 7 рабочей полости и рабочей полостью 3, минуя вспомогательную полость 22.
На фиг.2 видны теперь проводящие рабочую среду каналы, которые интегрированы во вторую торцевую сторону 13, в рассеченном изображении. Соответствующие изображению на фиг.1 элементы снабжены теми же самыми ссылочными позициями, так что можно обойтись без отдельного пояснения. Стрелка указывает направление вращения лопастных колес (насосное колесо 1 и турбинное колесо 2) гидродинамической муфты.
В деталях на фиг.2 виден выпуск 5 рабочей полости в направлении течения позади подпорного насоса 23, а также впуск 7 рабочей полости. Из выпуска 5 рабочей полости рабочая среда течет через слив 17 рабочей среды во внешнюю ветвь 6 контура, в которой расположен теплообменник 21 для охлаждения рабочей среды. Как правило, через теплообменник 21 протекает рабочая среда. Из внешней ветви 6 контура рабочая среда течет через подвод 18 рабочей среды во впуск 7 рабочей полости. В настоящем случае в подводе 18 рабочей среды расположена заслонка 28, посредством которой обеспечивается дросселирование потока рабочей среды. В направлении течения позади заслонки 28 непосредственно перед впуском 7 рабочей полости предусмотрено затем расширение 24 поперечного сечения подвода 18 рабочей среды, которое способствует расширению рабочей среды до атмосферного давления во впуске 7 рабочей полости, благодаря чему содержащийся в рабочей среде газ, в частности среда, создающая давление управления, удаляется из рабочей среды.
Проводящие рабочую среду трубопроводы или, соответственно, проводящие рабочую среду каналы в корпусе 11 образуют, соответственно, замкнутый контур рабочей среды от впуска 5 рабочей полости, через слив 17 рабочей среды, внешнюю ветвь 6 контура, подвод 18 рабочей среды и впуск 7 рабочей полости обратно в рабочую полость и оттуда снова к выпуску 5 рабочей полости.
Показанная на фиг.1 накопительная полость 8 через изображенное на фиг.2 в сечении проводящее рабочую среду соединение 9 соединена с замкнутым контуром 4 рабочей среды. В настоящем случае проводящее рабочую среду соединение 9 в направлении течения рабочей среды оканчивается перед заслонкой 28 в замкнутом контуре 4 рабочей среды. Предпочтительно, если проводящее рабочую среду соединение 9 является единственным проводящим рабочую среду соединением между накопительной полостью 8 и замкнутым контуром 4 рабочей среды. В этом случае при повышении давления в накопительной полости 8 вследствие введения среды, создающей давление управления, через подключение 10 давления управления рабочая среда течет из накопительной полости 8 через проводящее рабочую среду соединение 9 в замкнутый контур 4 рабочей среды вне рабочей полости 3, а при соответствующем понижении давления в накопительной полости 8 рабочая среда из замкнутого контура 4 рабочей среды вне рабочей полости 3 через проводящее рабочую среду соединение 9 течет обратно в накопительную полость 8, см. двойную стрелку 29. Удаление воздуха из накопительной полости 8 с целью понижения давления в ней может осуществляться либо через подключение 10 давления управления, либо по меньшей мере через одно дополнительное подключение для удаления воздуха или, соответственно, трубопровод для удаления воздуха.
В направлении течения рабочей среды параллельно теплообменнику 21 предусмотрен байпас 19, который также выполнен в виде проводящего рабочую среду канала в корпусе 11, в настоящем случае во второй торцевой стороне 13. Байпас 19 соединяет слив 17 рабочей среды, проводя рабочую среду, с подводом 18 рабочей среды. Чтобы предотвратить обратное течение рабочей среды из подвода 18 рабочей среды в слив 17 рабочей среды, в байпасе 19 предусмотрен обратный клапан 20.
Чтобы не позволить отчерпываемой (снимаемой) из вспомогательной полости 22 посредством подпорного насоса 23 рабочей среды течь снова в рабочую полость 3, предусмотрена обратная линия 30, которая в настоящем случае тоже в виде проводящего рабочую среду канала интегрирована в корпус 11 или, соответственно, здесь во вторую торцевую сторону 13.
Если в качестве среды, создающей давление управления, используется газ, отличающийся от воздуха, предпочтительно, если приняты меры, которые уменьшают или предотвращают концентрацию этого газа в гидродинамической муфте. Для этого могут быть предусмотрены подающий воздухопровод (не изображен) и отводящий воздухопровод (не изображен), которые способствуют постоянному прохождению воздуха через гидродинамическую муфту, в частности ее рабочую полость 3 и/или вспомогательную полость 22, чтобы вытеснять введенную газообразную среду, создающую давление управления, которая, например, представляет собой природный газ или метан, и предотвращать образование воспламеняющейся смеси. Альтернативно может быть также предусмотрено целенаправленное вытеснение кислородсодержащего воздуха из гидродинамической муфты путем целенаправленного ввода среды, создающей давление управления. Особенно предпочтительно, если для этого отводящий воздухопровод накопительной полости подсоединен к гидродинамической муфте, в частности ее рабочей полости, так что удаляемая из накопительной полости среда, создающая давление управления, вводится в гидродинамическую муфту и улетучивается через отводящий воздухопровод. Если в отводящем воздухопроводе предусмотрен предохранительный клапан, в частности обратный клапан, или другой дросселирующий орган для предохранения от избыточного давления области гидродинамической муфты, из которой удаляется воздух, воздух не может через неплотное место или отводящий воздухопровод непреднамеренно проникать в гидродинамическую муфту, и опасность образования воспламеняющейся смеси уменьшается.