Wasserwirbelbremse

Eine Wasserwirbelbremse ist eine hydraulische Bremse und entspricht einer Flüssigkeitskupplung mit der Besonderheit, dass die Abtriebsdrehzahl gleich Null ist. Mechanische Arbeit wird am Rotor in kinetische Energie der Wasserströmung umgesetzt, die sich durch Verwirbelung am dadurch mit Drehmoment belasteten Stator zuletzt vollständig in Wärme (und etwas Schall) abbaut. Der Stator stützt sich über einen Hebelarm ab und überträgt dabei eine dem Drehmoment proportionale Kraft, die mit einer Kraftmessdose oder Wägeeinrichtung gemessen werden kann. Das Wasser ist sowohl Arbeits- als auch Kühlmittel. Das Drehmoment kann über die Menge der Wasserfüllung oder durch verstellbare Schaufeln gesteuert werden.

Wasserwirbelbremse WX-40 Bauart VEB Spezialfahrzeugwerk

Blick in eine Wasserwirbelbremse Bauart Junkers

Wasserwirbelbremsen werden als Leistungsbremsen (Belastungseinrichtung) auf Motorenprüfständen eingesetzt sowie als Retarder in Kraftfahrzeugen. Die meisten hydrodynamischen Retarder im Nutzfahrzeug arbeiten allerdings mit Öl als Medium.

Bauformen

• Bauart Junkers (seit 1910; Schlagstifte, geringe Läufermasse, Betrieb in beiden Drehrichtungen möglich)

Das Foto zeigt den Innenaufbau einer solchen Junkers-Wasserwirbelbremse (hier vom VEB Dieselmotorenwerk Schönebeck)

• Bauart Liebel (vor 1930; seitliche Störkörper, geringer Leistungsbereich, Betrieb in beiden Drehrichtungen möglich)
• Einscheibenwasserbremse (geringer Leistungsbereich, Betrieb in beiden Drehrichtungen möglich)
• Bauart Krupp (der Läufer trägt Schaufeln, daher Betrieb nur in einer Drehrichtung möglich; Lastregelung erfolgt bei voller Wasserfüllung über Schieber, somit gute Stabilität und feinfühlige Regelung gegeben)
• Bauart Schenck (Regelung über die Wasserfüllung; platzsparender Aufbau und großer Regelbereich)

Eigenschaften

Wegen ihrer Vorteile (kompakte, kleine Bauweise, Betriebssicherheit und Robustheit, großer Leistungsbereich) sind die Wasserwirbelbremsen neben den Wirbelstrombremsen heute noch die am weitesten verbreitete Leistungsbremsen. Die Nachteile sind, dass der Schleppbetrieb des Prüflings nicht möglich ist und die entstehende Wärmeenergie nur bedingt nutzbar ist.

Innerhalb ihres Kennfeldes kann jeder Betriebspunkt durch Veränderung von Wasserfüllung und/oder Drehzahl eingestellt werden. Bei einem Vergleich von Wasserwirbel- und Wirbelstrombremse kann man feststellen, dass bei gleicher Maximalleistung und -drehzahl die Wasserwirbelbremse einen etwas kleineren Kennfeldbereich abdeckt.

Kennlinie einer Wasserwirbelbremse

Physikalischer Hintergrund

Das Drehmoment einer hydraulischen Bremse (Wasserwirbelbremse) ist proportional dem Quadrat der Drehzahl der Welle, weil die Kraft, die eine strömende Flüssigkeit auf einen Körper ausübt, mit dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit ansteigt. Wegen des Zusammenhangs zwischen Leistung und Drehmoment (P=M * ω) ist die Leistung proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. (M ∝ n² führt zu P ∝ n³)

Die Abstützkraft des Gehäuses (Reaktionsmoment) kann über einen Hebel mit einer Waage gemessen werden. Die Waage misst somit eine Kraft, die sich bei bekannter Länge des Hebelarms in das wirksame Drehmoment umrechnen lässt. Elektrisch kann dieses Reaktionsmoment der Pendelmaschine auch über die Kraftmessung mit Biegebalken oder Kraftmessdose erfolgen.

$\ M=\ F\cdot \ r$

Kennfeld einer Wasserwirbelbremse

Kennfeld einer Wasserwirbelbremse

Die Grenzlinien des Kennfeldes ergeben sich aus:

• Linie A: Bei voller Wasserfüllung der Bremse ist M ∝ n² bzw. P ∝ n³
• Linie B: konstantes Moment, diese Linie wird durch Festigkeit der Wellen bestimmt
• Linie C: konstante Leistung, diese Linie wird durch die zulässige Erwärmung des Bremsenwassers festgelegt
• Linie D: Linie wird durch die Festigkeit des Rotors bestimmt
• Linie E: untere Leistungsgrenze der Bremse, festgelegt durch den Betrieb der Bremse ohne Wasserfüllung (Leerlaufreibung).

Historische Wasserwirbelbremsen / Hersteller

Hersteller	Produktbezeichnung	Baujahr	Nenndrehmoment / Nm	Nennleistung / kW	Max. Drehzahl / min-1
AVL Zöllner Marine GmbH	PS1-4812	x	x	x	x
AVL Zöllner Marine GmbH	Omega Serie	x	5.500 bis 155.000	1.000 bis 12.000	2.200 bis 5.600
Carl Schenck AG	U1-10	1966	x	100	10.000
Carl Schenck	U1-13	1966	x	130	10.000
Carl Schenck	U1-16	1966	x	160	7.500
Carl Schenck	U1-16	1966	x	160	7.500
Carl Schenck	U1-16h	1966	x	160	10.000
Carl Schenck	U1-20	1966	x	200	6.000
Carl Schenck	U2-20	x	x	200	6.000
Carl Schenck	U1-20h	1966	x	200	8.500
Carl Schenck	U1-25	1966	1070	250	5.000
Carl Schenck	U1-25h	1966	x	250	7.500
Carl Schenck	U2-25	1966	500	250	5.000
Carl Schenck	U1-30	1966	x	300	4.000
Carl Schenck	U1-30h	1966	x	300	5.000
Carl Schenck	U1-40	1966	x	400	3.000
Carl Schenck	U2-40	x	x	400	3.000
Carl Schenck	U1-40h	1966	x	400	4.500
Carl Schenck	U1-50	1966	x	500	2.500
Carl Schenck	U1-50h	1966	x	500	3.500
Carl Schenck	U1-60	1966	x	600	2.000
Carl Schenck	U1-60h	1966	x	600	2.750
Carl Schenck	U1-80	1966	x	800	1.500
Carl Schenck	U1-80h	1966	x	800	2.000
Carl Schenck	U1-100	1966	x	1.000	1.200
Carl Schenck	U1-100h	1966	x	1.000	1.750
VEB Spezialfahrzeugwerk Berlin	WX-40	x	x	295	4.000
VEB Dieselmotorenwerk Schönebeck	D-4	x	x	x	4.500