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Kraft- oder Arbeitsmaschine mit mindestens einem in einem ringförmigen Zylinder kreisenden Drehkolben
Die Erfindung betrifft eine Kraft-oder Arbeitsmaschine mit mindestens einem sich infolge eines Zahnradtriebes gleichmässig um seine Achse drehenden und um eine Hauptwelle in einem mit Ein- und Auslass- öffnungen versehenen Ringkanal mit mindestens einer Engstelle zusammen mit einer als Ringsektor ausgebildeten Zwischenwand kreisenden Drehkolben, wobei die Zwischenwand in ihrer Dicke etwa der lichten
Weite der Engstelle entspricht.
Sowohl die Kraftmaschinen als auch die Arbeitsmaschinen können grundsätzlich in rotierende Maschinen und Maschinen mit hin-und hergehenden Teilen, also Kolbenmaschinen, unterteilt werden. In den Bereichen von kleineren Leistungen, geringeren Fördermengen und höheren Drücken sind dieiotie- renden Maschinen den Kolbenmaschinen dem Wirkungsgrad nach unterlegen. Anderseits sind in diesen Bereichen die rotierenden Maschinen erheblich billiger herzustellen und auch betriebssicherer, ferner kleiner sowie leichter ; weiterhin arbeiten sie erschütterungsfreier als Kolbenmaschinen ; endlich bleibt bei den rotierenden Maschinen das Arbeitsmedium, z. B. der Dampf, schmierölfrei und kann infolgedessen nach der Arbeitsleistung noch verwertet werden (z. B. zur Heizung).
Man hat deshalb schon versucht, eine Kraftmaschine zu schaffen, welche die Vorteile der Kolbenmaschinen mit denen von rotierenden Maschinen vereint. Bei einer solchen bekannten Maschine mit in einem ringförmigen Zylinderraum kreisenden Kolben sollte der Abschluss des Zylinderraumes hinter dem Kolben durch quer zum ringförmigen Zylinderraum angeordnete rotierende Scheiben erfolgen, die mit Löchern zum Durchtretenlassen des Kolbens versehen waren. Der Zylinderraum wurde also nach dem Passieren des Kolbens durch die sich drehende Scheibe verschlossen, so dass ein Arbeitsmedium, z. B. Dampf in den Zylinderraum über ein Ventil eingeleitet werden konnte und dort expandierte. Es lässt sich jedoch mit solchen rotierenden Scheiben kein guter Abschluss des Zylinderraumes erzielen, so dass der Wirkungsgrad einer solchen Maschine sehr schlecht ist.
Bei einer weiteren Maschine der eingangs geschilderten Art ist jeder Drehkolben auf einer Kugelkalotte angebracht, deren ebene Fläche als Zahnrad ausgebildet ist. Die Seitenwände dieser Maschine verlaufen nicht in einer stetigen Krümmung, vielmehr ist dort jeweils an einer Engstelle eine Seitenwand im Axialschnitt V-förmig gestaltet, wobei die V-Wurzel mit einer kurzen ebenen Fläche versehen ist. Die gegenüberliegende Seitenwand dagegen verläuft in einer leichten Wölbung, wobei der Scheitel derselben der ebenen Fläche der andern Seitenwand gegenüberliegt. Der Drehkolben ist Im Querschnitt spindelför-
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im Ringkanal mit dem Drehkolben eine Zwischenwand um, deren Dicke mit der lichten Weite der Engstelle übereinstimmt. Die Zwischenwand ist jedoch nicht voll, sondern mit Radialschlitzen versehen, die zum Druckausgleich im Arbeitsraum dienen sollen.
Die geschilderte Ausbildung dieser Maschine lässt eine höhere Leistung ebenfalls nicht zu. So kann z. B. das Medium während des Verdichtungsvorganges eine gewisse Zeit lang durch den Getrieberaum strömen, dort z. B. bei zwei Drehkolben zwischen den Kugelkalotten ein Zwischenraum vorhanden sein muss. Ferner ist es nicht möglich, die Engstelle voll abzudichten, weil die erwähnte ebene Fläche mit Rücksicht auf eine stetige Rotation des spindelförmig gestalteten Drehkolbens nicht abdichtend überstrichen werden kann. Endlich ist der Auslass (bei der Verwendung der Maschine als Pumpe) in einer Seitenwand des Ringkanales angeordnet, so dass das verdichtete Medium zum
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Teil durch die Schlitze der Zwischenwand zum Einlass strömen kann.
Es wird also auch durch diese Schlitze eine hohe Leistung verhindert, weil das verdichtete Medium in ihnen auf die Einlassseite (imFalleder Ma- schine a : ls Pumpe) gelangen und dort expandieren kann. Auch ist infolge der Schlitze eine einwandfreie
Abdichtung der Engstelle nicht möglich, so dass insgesamt betrachtet die Leistung einer solchen Maschine gering ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraft-oder Arbeitsmaschine der eingangs geschilder- ten Art für die Erreichung hoher Leistungen geeignet auszubilden.
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung vor, dass der Drehkolben, die Zwischenwand und die Begren- zungswände des Ringkanales einen abgeschlossenen Arbeitsraum begrenzen, in dem die Zwischenwand als nichtdurchbrochene Dichtflosse und alle Begrenzungswände als endlose, abgesehen von der abgedichteten
Drehachse des Drehkolbens nicht durchbrochene Wände ausgebildet sind und die parallel zur Drehachse ver- laufenden Seitenwände des Ringkana1es Zykloidenform aufweisen. Auf diese Weise wird im ringförmigen
Zylinderraum stets ein allseitig abgedichteter Expansions- bzw. Kompressionsraum geschaffen, ohne dass hiezu eine oszillierende Bewegung notwendig wäre, vielmehr erfolgen alle Bewegungen völlig gleichför- mig, also ohne Beschleunigungen oder Verzögerungen.
Eine besonders einfache Ausbildung der Maschine wird dadurch erreicht, dass die Drehachse des Drehkolbens parallel zur Hauptwelle angeordnet und der
Ringkanal durch zwei senkrecht zur Hauptwelle stehende, ebene Wände und durch zwei zykloidenformig verlaufende Wände begrenzt ist.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Drehachse des Drehkolbens senkrecht zur Hauptwelle angeordnet und der Ringkanal durch zwei senkrecht zur Hauptwelle stehende zykloidenförmig verlaufende Wände und durch zwei als KugeMngflächen ausgebildete Flächen begrenzt ist.
. Für die Erreichung hoher Leistungen ist es ferner günstig, wenn die zum Durchtritt des Arbeitsmediums z. B. des Dampfes notwendigen Ein-und Auslassorgane in den senkrecht zur Achse des Drehkolbens stehenden Wänden angeordnet sind.
Zur Erzielung höchster Leistungen können die mit der Dichtflosse zusammenwirkenden Enden des Drehkolbens halbrund gestaltet und der grösste Querschnitt des Drehkolbens kleiner als die lichte Weite der Engstelle sein, wobei die Drehachse des Drehkolbens aus der radialen Symmetrie-Ebene des Ringkanales gerückt ist. Im Zusammenhang mit dieser Ausbildung der Maschine ist es vorteilhaft, wenn die zum Durchtritt des Arbeitsmediums, z. B. des Dampfes notwendigen Ein-und Auslassorgane in einer zur Achse des Drehkolbens senkrecht stehenden Wand neben der radialen Symmetrie-Ebene der Maschine angebracht sind.
Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, in welchen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei zeigt Fig. l ein erstes Beispiel der Maschine mit stillstehendem Ring-Zylinderraum schematisch in Seitenansicht, wobei die Seitenwand weggebrochen ist, Fig. 2 ein weiteres Beispiel der Maschine mit umlaufendem Ring-Zylinderraum, ebenfalls in Seitenansicht schematisch, Fig. 3 die Maschine nach Fig. l in perspektivischer Darstellung, wobei der Deutlichkeit halber eine Begrenzungswand aufgebrochen ist, Fig. 4 eine Abwicklung des sich verengenden Ring-Zylinderraumes mit dem Drehkolben in den einzelnen Betriebsstellungen, Fig.
5 einen Axialschnitt durch die Maschine nach einem dritten Ausführungsbeispiel, bei welchem die Achsen der Drehkolben mit der Hauptwelle parallel verlaufen und der Ring-Zylinderraum um die Hauptwelle umläuft, Fig. 6 einen Axialschnitt durch die Maschine nach einem weiteren Beispiel, bei welchem die Achse des Drehkolbens senkrecht zur Hauptwelle ángeordnet ist und der Ring-Zylinderraum umläuft und Fig. 7 in grösserem Massstab eine Ansicht der Engstelle in Richtung längs der Achse des Drehkolbens.
Die Maschine weist eine Hauptwelle 1 und einen konzentrisch zu dieser Welle angeordneten, geschlossenen, ringförmigen Zylinderraum 2 auf, der sich im Querschnitt stetig ändert, indem er seitlich durch zykloidenähnlich verlaufende Seitenwände 3 begrenzt ist (s. beispielsweise Fig. 3 und 4). Die Seitenwände 3 nähern sich also und bilden auf diese Weise eine oder mehrere Engstellen 4. Je nach Ausbildung der Maschine können diese Seitenwände 3 in radialer Richtung eben verlaufen oder gewölbt sein. Im Zylinderraum 2 ist eine als Ringsektor ausgebildete, je nach Zahl der Engstellen 4 kürzer oder länger gehaltene Dichtflosse 5 angeordnet, deren Dicke dem engsten Querschnitt des Zylinderraumes 2 angepasst ist (s. bei-
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oder durch sehr feine Spalten von ihnen getrennt sein.
Ferner befindet sich im Zylinderraum 2 ein um seine Achse 6 rotierender Drehkolben 7, der die beiden Seitenwände 3 in jeder Arbeitsstellung berührt oder davon höchstens durch einen sehr engen einstellbaren Spalt getrennt ist. Wie aus den Fig. l und 2 schematisch hervorgeht, erhält der Drehkolben 7 seine Rotation durch Zahnräder 8 bzw. 9 von der Hauptwelle 1 aus dergestalt. dass der Drehkolben eine völlig gleichmässige Bewegung um seine Achse ausführt und den veränderlichen Ring-Zylinderraum in jeder Stellung auf seinem ganzen Umfang abschliesst bzw. abdichtet, jedoch auch leicht durch die Engstelle 4 hin-
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durchgeht.
Die Dichtflosse 5 und der Drehkolben 7 bewegen sich also gemeinsam relativ zum Zylinderraum 2 und bilden zusammen im Laufe der Drehung der Maschine immer wieder einen abgeschlossenen Arbeit$- raum, der einerseits durch die Seitenwände 3. anderseits durch die Dichtflosse 5 in der Engstelle 4, wei- terhin durch die äussere Begrenzungswand 10 und die innere Begrenzungswand 11 des Zylinderraumes. 2 und endlich durch den mit seinen Flächen an den seitlichen, sowie den äusseren und inneren Begrenzungswän- den des Ring-Zylinderraumes 2 abdichtenden Drehkolben 7 begrenzt ist.
Fig. l zeigt eine erste Ausführungsform einer solchen Maschine, bei welcher der Zylinderraum 2 fest- stehend ausgebildet ist, während die Dichtflosse 5 und der Drehkolben 7 mit der Hauptwelle 1 umlaufen und die Rotationsachse 6 des Drehkolbens 7 ein sich auf dem feststehenden Zahnrad 8 abwälzendes Gegen- zahnrad 12 trägt. Die innere Begrenzungswand 11 bildet den Boden des Zylinderraumes 2 und ist mit der
Hauptwelle 1 fest zusammengebaut und trägt ausserdem die Lagerung 13 für den Drebkolben 7 und die
Dichtflosse 5.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführung der neuen Maschine dargestellt, die sich von ! er ersten insofern unterscheidet, also dort der Zylinderraum 2 mit der Hauptwelle 1 umläuft, während die Dichtflosse 5 so- wie der um seine Achse 6 rotierende Drehkolben 7 stillstehen.
Im Beispiel nach Fig. 1 und 3 mit feststehendem Zylinderraum 2 ist zwischen den feststehenden Wän- den des Zylinderraumes und dem umlaufenden Boden 11 eine Dichtung 22 angeordnet. Im Beispiel nach Fig. 2 dagegen findet sich eine solche Dichtung zwischen der äusseren feststehenden Begrenzungswand 10 und den beiden mit der Hauptwelle rotierenden Seitenwänden 3. Die Dichtflosse 5 ist dabei mit der äusseren Begrenzungswand 10 fest verbunden, ebenso trägt auch diese Begrenzungswand 10 die Lagerung 13 des Drehkolbens 1, dessen Antrieb in Fig. 2 wiederum schematisch angedeutet ist.
Die zweite Ausführung nach Fig. 2 hat insofern einen Vorteil, als dort der Drehkolben 7 und seine Lagerung keinen zusätzlichen Kreiselkräften unterworfen sind. Ausserdem überträgt dort jede geformte Seitenwand 3 des Zylinderraumes 2 Kraft und Leistung, während nach dem ersten Beispiel der Drehkolben 7 als
Kraft- und Leistungsüberträger an die Hauptwelle l dient.
In der Nähe der Engstelle 4 befindet sich je nach der Art der Maschine (Kraft oder Arbeit) in Drehrichtung gesehen vor oder hinter derselben in geeignetem Abstand das Einlass- bzw. Auslassorgan 14 (Fig. 7) bzw. mehrere solche Organe, welche je nach dem, ob es sich um eine Kraft- oder Arbeitsmaschine handelt, das die Leistung liefernde gasförmige oder flüssige Medium einführen bzw. das die Leistung aufnehmende Mittel abführen. Die Auslass- bzw. Einlassorgane sind je nach dem gewünschten Grad der Expansion bzw. Kompression mehr oder weniger weit von der Engstelle 4 aus in oder gegen die Drehrichtung gesehen angebracht.
Die Ein- und Auslassorgane lassen sich verschiebbar bzw. änderbar anbringen, wobei auch während des Betriebes das Expansions- und/oder das Kompressionsverhältnis geändert bzw. abgestimmt werden kann.
Soweit die neue Maschine als Kraftmaschine arbeitet, wird die Engstelle 4 stets zuerst von dem Drehkolben 7 passiert und dann von der Dichtflosse 5 verschlossen. Soll jedoch die Maschine als Arbeitsmaschine wirken, so läuft stets die Dichtflosse 5 voraus und dann erst folgt der Drehkolben 7 beim Passieren jeder Engstelle 4.
In den gezeichneten Beispielen ist der Einfachheit halber nur eine Engstelle dargestellt. Es ist jedoch möglich. dass der Ring-Zylinderraum 2 auch mehrere Engstellen 4 sowie mehrere Drehkolben 7 und eine entsprechende Anzahl Dichtflossen 5 haben kann. Auch ist es in manchen Fällen günstig, mehrere Zylinderräume gleichen oder verschiedenen Durchmessers konzentrisch nebeneinander oder übereinander anzu- ordnen, wobei alle auf dieselbe oder mehrere getrennte achsfluchtende Wellen arbeiten. Dabei können
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der Hauptwelle 1 aufgekeilt ist und umläuft. Die zweite Seitenwand 15, welche die Lagerung 13 für die Drehkolbenachse 6 trägt, ist feststehend ausgebildet, ebenso die Wand 19, die als Lagerung für die Hauptwelle 1 dient.
Die Wand 19 und die feststehende Seitenwand 15 können zu einer ortsfesten Konsole geführt sein.
Im Beispiel nach Fig. 5 genügt zur Drehung der Drehkolbenachse 6 ein auf dieser Achse aufgekeiltes Zahnrad 20, welches mit einem auf der Hauptwelle 1 befestigten Zahnrad 21 kämmt.
Das Beispiel nach Fig. 5 kann auch in der Weise abgewandelt werden ; dass nicht nur eine Seitenwand 15 sondern die beiden Seitenwände 15 stillstehen, während die Zykloiden-Wände 16 und 17 umlaufen.
Ausserdem ist es ohne weiteres möglich, die das Lager 13 tragende Seitenwand 15 mit der Hauptwelle 1 umlaufen zu lassen und den durch die Wände 16,17 und 15 gebildeten Zylinderraum 2 feststehend auszubilden. In diesem Falle würde das Zahnrad 21 nicht mit der Hauptwelle 1 verbunden sein. sondern feststehend angebracht sein, so dass sich das Zahnrad 20 bei seiner kreisenden Bewegung auf dem feststehenden Zahnrad 21 abwälzt und dabei den Drehkolben 7 in eine gleichmässig rotierende Bewegung versetzt.
Das Beispiel nach Fig. 6 zeichnet sich dadurch aus, dass die Achse 6 des Drehkolbens 7 senkrecht zur Hauptwelle 1 angeordnet ist, wobei der Zylinderraum 2 umläuft, der durch die Seitenwände 23 und die als Kugelringfläche ausgebildete innere Wand 24 gebildet ist, so dass sich der Drehkolben 7 mit seiner korrespondierenden Dichtfläche während des Rotierens um seine Achse 6 an keiner Stelle von der Fläche 24 abheben kann. Die Fläche 24 geht über in eine Nabe 25, die wiederum auf der Hauptwelle 1 aufgekeilt ist.
Der Zylinderraum 2 wird abgeschlossen durch die äussere Wand 26. welche feststehend ausgebildet ist und mit Hilfe von Schrauben 27 mit der Konsole 28 verbunden ist. Diese äussere Wand 26 weist ebenfalls
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Zwischen der äusseren Wand 26 und den umlaufenden Seitenwänden 23, die zykloidenförmig gestaltet sind, sind wiederum Dichtungen 22 angeordnet. der umlaufende Zylinderraum 2 ist vollständig eingeschlossen durch eine feststehende Wand 28'der Konsole 28 und eine feststehende Scheibe 29, die gleichzeitig als Lagerung der Hauptwelle l dienen. Dabei ist die Scheibe 29 mit Hilfe von Schrauben 30 mit der äusseren Wand 26 starr verbunden. Ferner ist an der äusseren Wand 26 das Lager 13 für die Drehkolbenachse 6 angeschraubt. Der Antrieb des Drehkolbens 7 erfolgt in diesem Beispiel über einen von der Hauptwelle 1 angetriebenen Winkeltrieb 31, über eine Welle 32 und Zahnräder 33, 34 und 35, wobei das Zahn- rad 35 mit der Drehkolbenachse 6 fest verbunden ist.
Die in diesem Fall vertikal angeordnete Hauptwelle l ist in der Konsole 28 mit Hilfe eines Axiallagers 36 abgestützt.
Es ist jedoch auch möglich, das Beispiel nach Fig. 6 in der Weise abzuwandeln, dass die Hauptwelle 1 horizontal verläuft und die feststehenden Seitenwände 29 und 28'eine als Konsole ausgebildete Fortsetzung aufweisen.
Im. Beispiel nach Fig. 7 ist gezeigt, auf welche Weise eine besonders hohe Ausnützung des Arbeitsmediums durch die Maschine erfolgt, also ein sehr guter Wirkungsgrad erzielt werden kann. In diesem Fal- le ist die Dichtflosse 5 nur auf die Länge des Drehkolbens 7 unterbrochen. Die Enden 37 und 38 der Dicht- flosse 5 sind als Kreisfläche ausgebildet und arbeiten dichtend mit den Enden 39 und 40 des Drehkolbens 7 zusammen. Die Dichtflosse 5 weist einen solchen Querschnitt auf, dass sie die Engstelle 4 voll ausfüllt.
In der gezeichneten Stellung dichtet nun der Drehkolbens 7 mit seinem Ende 40 an der Zykloiden- Seltell- wand 3 und mit seinem Ende 39 an der Dichtfläche 37 der Dichtflosse 5 ab, so dass auf diese Art und Weise ein sehr kleiner, vollständig abgedichteter Arbeitsraum 41 entsteht. Es sei angenommen, dass die Maschine als Kompressor dienen soll. Dann befindet sich in diesem Arbeitsraum 41 in einer der senkrecht zur Drehachse 6 des Kolbens 7 verlaufenden Wände. ein Auslassventil 14 in Drehrichtung gesehen unmittelbar vor dem Scheitel der Engstelle 4. Dieses Ventil 14 kann beispielsweise als ein aus dem Kraftfahrzeugmotor bekanntes, pilzartig geformtes, über Nocken gesteuertes Ventil ausgebildet sein.
Durch die Anordnung dieses Ventiles 14 seitlich von der radialen Symmetrielinie der Maschine wird erreicht, dass im Arbeitsraum nur noch ein geringer Totraum vorhanden ist, so dass eine sehr hohe Kompression erzielt werden kann. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang auch, dass dabei der Drehkolben 7 eine kleinere Dicke aufweist als die Dichtflosse 5.
Ferner findet sich im Beispiel nach Fig. 7 eine strichpunktiert eingezeichnete Stellung des Drehkolbens 7, die für den Fall gilt, dass die Maschine als Kraftmaschine, z. B. Dampfmaschine, arbeiten soll.
Für diesen Fall findet sich in Drehrichtung gesehen unmittelbar hinter der Engstelle 4 ein Einlassventil 42, das beispielsweise genau so ausgebildet und gesteuert sein kann wie das erwähnte Auslassventil 14.
Soweit die Maschine als Arbeitsmaschine, z. B. als Kompressor arbeitet, ist in einer der Wände des Zylinderraumes 2 in der Nähe der Engstelle 4 gegenüber dem Auslassventil 14 ein Einlassschlitz angeord-
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net, der unverschlossen sein kann.
Soweit die Maschine jedoch z. B. als Dampfkraftmaschine arbeitet, befindet sich neben der Engstel- le4gegenüber dem Einlassventil 42 ein Auslassschlitz, der ebenfalls umgesteuert sein kann.
Es wurden Untersuchungen angestellt, in welchen Bereichen die neue Maschine besonders wirtschaftlich arbeitet.
Gleichgültig, ob die neue Maschine als Kraft- oder Arbeitsmaschine dient, ist es zur Erzielung einer wirtschaftlich günstigen Lösung vorteilhaft, einen Zylinderraum mit mehreren Engstellen und einem oder mehreren Drehkolben und einer oder mehreren Dichtflossen anzuordnen oder noch besser die Nebeneinan- deraufstellung von Zylinderräumen, ebenfalls je mit einer oder mehreren Engstellen und einem oder mehreren Drehkolben und einer oder mehreren Dichtflossen.
Wenn man mit zwei oder mehreren entsprechend gestellten Drehkolben und Dichtflossen arbeitet, so kann man auch bei einem Zylinderraum mit nur einer einzigen Engstelle und natürlich auch mit solchen mit mehreren Engstellen Kraft- und Arbeitsmaschinen direkt hintereinanderschalten, z. B. beim Diesel- verfahren die Kompression direkt vor der Leistungserzeugung setzen. Entsprechende Versetzungen von Kraft- oder Arbeitsmaschinen sind ebenfalls möglich.
Man kann ferner bei den verschiedenen Konstruktionsmöglichkeiten ohne Schwierigkeit einstufig oder mehrstufig arbeitsleistend expandieren oder leistungsverbrauchend komprimieren bzw. bei Bedarf auch ge- mischt verfahren. So kann z. B. eine in der neuen Art ausgebildete dampfangetriebene Maschine auf meh- rere Gegendrücke mit oder ohne Kondensation arbeiten, wobei die einzelnen Expansionsverhältnisse, wie schon beschrieben, veränderlich gemacht werden können. Ähnliches gilt sinngemäss auch für die Verwen- dung der neuen Maschine als Arbeitsmaschine.
PATENTANSPRÜCHE :'
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oder Arbeitsmaschìnekreisenden Drehkolben, wobei die Zwischenwand in ihrer Dicke etwa der lichten Weite der Engstelle ent- spricht, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkolben, die Zwischenwand und die Begrenzungswände des
Ringkanales (2) einen abgeschlossenen Arbeitsraum begrenzen, in dem die Zwischenwand als nichtdurch- brochene Dichtflosse (5) und alle Begrenzungswände als endlose, abgesehen von der abgedichteten Dreh- achse (6) des Drehkolbens (7), nichtdurchbrochene Wände ausgebildet sind und die parallel zur Drehach- se (6) verlaufenden Seitenwände (3) des Ringkanales (2) Zykloidenform aufweisen.