AT504093B1 - Drehkolbenmaschine - Google Patents

Description

2 AT 504 093 B1

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolbenmaschine mit wenigstens einem zwischen einem Gehäuse und einem im Gehäuse drehbar gelagerten Rotor gebildeten Ringraum, der in Umfangsrichtung durch zwei gegensinnig geneigte Anlaufflächen zumindest eines dichtend am Rotor anliegenden Gehäuseansatzes zwischen einer Gaszu- und einer Gasableitung begrenzt ist, und mit einem auf dem Rotor um eine zur Rotorwelle parallele Achse gelagerten, entlang der Umfangswand des Gehäuses geführten und in eine Aufnahmetasche des Rotors eingreifenden Schwenkkolben je Ringraum.

Bei einer bekannten als Dampfmotor ausgebildeten Drehkolbenmaschine dieser Art (US 5 359 971 A) ist ein Rotor unter Freilassung eines Ringspaltes koaxial in einem im wesentlichen kreiszylindrischen Gehäuse gelagert, das einen den Ringraum zwischen einem Dampfein- und einem Dampfauslaß unterteilenden, dicht am Rotor anliegenden Ansatz aufweist. Der Rotor trägt auf einander diametral gegenüberliegenden Umfangsseiten je einen Schwenkkolben, der um eine zur Rotorwelle parallele Achse schwenkbar gelagert ist und entlang der Umfangswand des Gehäuses geführt wird, so daß die Schwenkkolben während einer Rotorumdrehung im Bereich des gegen den Rotor vorstehenden Gehäuseansatzes in eine Rotoraussparung ein- und ausgeschwenkt werden. Der Gehäuseansatz bildet zu diesem Zweck gegensinnig geneigte Anlaufflächen für die Schwenkkolben. Da die Schwenkkolben sich dichtend an die Umfangswand des Gehäuses anlegen und damit im Ringraum einen Arbeitsraum begrenzen, können sie zwischen dem Dampfein- und dem Dampfauslaß mit einem hochgespannten Dampf beaufschlagt werden, der sich mit zunehmendem Drehwinkel des Rotors und der damit verbundenen Vergrößerung des sich zwischen dem Gehäuseansatz und dem beaufschlagten Schwenkkolben ergebenden Arbeitsraumes entspannen kann, sobald die Dampfzufuhr unterbrochen wird. Nachteilig bei diesem bekannten Dampfmotor ist vor allem, daß seine Leistung insbesondere dann beschränkt ist, wenn eine weitgehende Entspannung des Dampfes gefordert wird, weil in diesem Fall der Drehwinkelbereich, in dem der Arbeitsraum mit dem hochgespannten Dampf beaufschlagt werden kann, vergleichsweise klein gehalten werden muß. Außerdem ist der Wirkungsgrad unbefriedigend. Die gleichen Nachteile treten grundsätzlich auch bei Drehkolbenmaschinen mit lediglich einem Schwenkkolben, sonst aber vergleichbarem Aufbau auf (DE 2 314 164 A1, DE 107 811 C), obwohl die Entspannung des Dampfes wegen des Vorsehens lediglich eines Schwenkkolbens entlang eines 180° übersteigenden Drehwinkels des Rotors genützt werden kann.

Schließlich sind Drehkolbenmaschinen mit einem sich zwischen dem Gehäuse und dem Rotor ergebenden Ringraum bekannt (US 3 890 071 A), der sich zwischen zwei Anschlüssen für die Gaszu- und -ableitung in einer Umfangsrichtung radial erweitert. Dieser zwischen den Gasanschlüssen durch einen gegen den Rotor vorspringenden Gehäuseansatz unterbrochene Ringraum wird durch im Rotor radial verschiebbar geführte Schieber in mehrere Arbeitsräume unterteilt, wobei sich in diesen Arbeitsräumen eine isentropische Entspannung der Gase einstellt und über die Schieber im Motorbetrieb auf den Rotor ein Drehmoment in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Beaufschlagungsflächen der die einzelnen Arbeitsräume begrenzenden Schieber ausgeübt wird, die ja wegen des sich radial erweiternden Ringraumes unterschiedlich weit radial nach außen gegen das Gehäuse verstellt werden. Dies bedeutet, daß durch solche Drehkolbenmaschinen zufolge der nur begrenzten radialen Erweiterung des Ringraumes zwischen Rotor und Gehäuse grundsätzlich keine weitgehende Entspannung des Gases möglich wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolbenmaschine der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß nicht nur eine erhebliche Leistungssteigerung, sondern auch eine Wirkungsgradverbesserung bei einer weitgehenden Entspannung des Gases erzielt werden kann.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß sich der Ringraum zwischen den beiden Anlaufflächen in einer Umfangsrichtung radial erweitert und daß die Aufnahmetasche die Rotorwelle auf der der Schwenkachse des Schwenkkolbens abgewandten Seite übergreift. 3 AT 504 093 B1

Der sich in einer Umfangsrichtung radial erweiternde Ringraum bedingt im Motorbetrieb der Drehkolbenmaschine, daß sich das als Druckmittel eingesetzte, hochgespannte Gas aufgrund der durch die radiale Erweiterung zusätzlichen Volumenvergrößerung zu niedrigeren Drücken entspannen kann. Zugleich nimmt aber die Beaufschlagungsfläche des Schwenkkolbens zu, der ja entlang der Umfangswand des Gehäuses geführt wird, so daß bei einem geringeren Beaufschlagungsdruck die Beaufschlagungsfläche mit der Wirkung vergrößert wird, daß trotz einer größeren Entspannung des Beaufschlagungsgases ein größeres Drehmoment am Ende eines Arbeitshubes zur Verfügung gestellt werden kann. Aufgrund der besonderen Anordnung der Aufnahmetasche für den Schwenkkolben ergeben sich vorteilhafte Voraussetzungen für einen entsprechend weiten Schwenkbereich des Schwenkkolbens und damit für eine vergleichsweise große Volumsänderung des Zylinderraums in Umfangsrichtung. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahmen können daher bei einer gattungsgemäßen Drehkolbenmaschine die Leistung und der Wirkungsgrad deutlich verbessert werden. Die Drehkolbenmaschine kann selbstverständlich als Motor und als Verdichter betrieben werden, wobei als Druckmittel sowohl Dampf als auch Gase eingesetzt werden können.

Besonders vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn der Schwenkkolben eine zu seiner Schwenkachse koaxiale, kreiszylindrische Beaufschlagungsfläche aufweist, weil in diesem Fall der auf den Schwenkkolben einwirkende Beaufschlagungsdruck kein Drehmoment auf den Schwenkkolben ausübt, so daß die Gleitreibung zwischen dem Schwenkkolben und der ihn führenden Umfangswand des Gehäuses unabhängig von den Druckverhältnissen im Arbeitsraum ist. Es ist allerdings für eine ausreichend dichte Anlage des Schwenkkolbens an der Umfangswand des Gehäuses zu sorgen, was beispielsweise durch eine federnde Drehmomentbeaufschlagung des Schwenkkolbens erreicht werden kann. Die erforderliche Abdichtung des Arbeitsraumes gegenüber dem Beaufschlagungsgas ist nicht nur zwischen dem Schwenkkolben und dem Gehäuse, sondern auch zwischen dem Schwenkkolben und dem Rotor sicherzustellen. Zu diesem Zweck kann die Aufnahmetasche des Rotors für den Schwenkkolben gegenüber der Beaufschlagungsfläche des Schwenkkolbens abgedichtet werden.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt, und zwar wird eine erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine in einem schematischen Schnitt senkrecht zur Rotorwelle gezeigt.

Die Drehkolbenmaschine gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein Gehäuse 1 und einen im Gehäuse 1 gelagerten Rotor 2 auf, dessen Welle mit 3 bezeichnet ist. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß zwischen dem Rotor 2 und dem Gehäuse 1 ein Ringraum 4 freibleibt. Dieser Ringraum 4 wird durch einen gegen den Rotor 2 vorstehenden Gehäuseansatz 5 unterbrochen, der mit Hilfe einer Dichtung 6 am kreiszylindrischen Rotor 2 anliegt. Der Übergang zwischen dem Gehäuseansatz 5 und der übrigen den Ringraum 4 begrenzenden Innenfläche der Umfangswand 7 des Gehäuses 1 wird durch zwei gegensinnig geneigte Anlaufflächen 8 gebildet. Beidseitig des Gehäuseansatzes 5 sind eine Gaszuleitung 9 und eine Gasableitung 10 vorgesehen, die im Bereich der Anlaufflächen 8 in den Ringraum 4 münden. Die Steuerung der Gaszuleitung 9 erfolgt über einen schematisch angedeuteten Drehschieber 11.

Der Rotor 2 trägt einen Schwenkkolben 12, der in eine Aufnahmetasche 13 des Rotors 2 eingreift und mit Hilfe von zwei radialen Lagerstegen 14 auf einer Schwenkachse 15 gelagert ist, die parallel zur Rotorwelle 3 verläuft. Der Schwenkkolben 12 liegt mit einem aus der Aufnahmetasche 13 über den Rotor 2 vorstehenden Abschnitt an der Umfangswand 7 des Gehäuses 1 an und weist eine vom Anlagebereich an der Umfangswand 7 ausgehende, zu seiner Schwenkachse 15 koaxiale, kreiszylindrische Beaufschlagungsfläche 16 auf. Die Abdichtung gegenüber der Umfangswand 7 des Gehäuses 1 und gegenüber dem Rotor 2 wird durch Dichtungen 17 und 18 sichergestellt. Während die Dichtung 17 gegenüber der Umfangswand 7 des Gehäuses 1 zwangsläufig dem Schwenkkolben 12 zugeordnet werden muß, empfiehlt sich die Anordnung der Dichtung 18 im Bereich der Aufnahmetasche 13 des Rotor 2, um bei einer Schwenkbewegung des Schwenkkolbens 12 keine Verlagerung der Dichtung 18 ins Tascheninnere in Kauf

Claims (3)

1. 4 AT 504 093 B1 nehmen zu müssen. Damit eine dichte Anlage des Schwenkkolbens 12 an der Umfangswand 7 des Gehäuses 1 erreicht wird, bevor entsprechende Fliehkräfte auf den Schwenkkolben 12 einwirken, kann der Schwenkkolben 12 mit einer entsprechenden, strichpunktiert angedeuteten Feder 19 im Sinne des Pfeiles 20 beaufschlagt werden. Die Innenfläche der Umfangswand 7 des Gehäuses 1 zeigt im Querschnitt zwischen den beiden gegensinnig geneigten Anlaufflächen 8 im Anschluß an einen kreiszylindrischen Abschnitt die Form einer Spirale, so daß sich der Ringraum 4 zwischen dem kreiszylindrischen Rotor 2 und der Umfangswand 7 des Gehäuses ausgehend vom kreiszylindrischen Abschnitt in radialer Richtung zunehmend erweitert. Wird die dargestellte Drehkolbenmaschine als Motor beispielsweise mit Dampf betrieben, so wird der hochgespannte Dampf während einer durch den Drehschieber 11 gesteuerten Einlaßphase in den Arbeitsraum 21 eingeleitet, der sich durch den Abschnitt des Ringraumes 4 zwischen der der Gaszuleitung 9 zugehörigen Anlauffläche 8 und dem Schwenkkolben 12 ergibt. Zufolge der Druckbeaufschlagung des Schwenkkolbens 12 wird auf den Rotor 2 ein Drehmoment ausgeübt, das den Rotor 2 in Drehung versetzt. Nach dem Schließen des Drehschiebers 11 kann sich der hochgespannte Dampf im Arbeitsraum 21 aufgrund der Rotordrehung in Abhängigkeit von der Volumenzunahme des Arbeitsraumes 21 entspannen. Wegen des im Anschluß an den kreiszylindrischen Abschnitt in Drehrichtung des Rotors 2 zunehmenden Radius der Innenfläche der Umfangswand 7 des Gehäuses 1 wird einerseits im Vergleich zu einer kreiszylindrischen Innenfläche ein mit dem Drehwinkel des Rotors 2 größerer Volumenzuwachs des Arbeitsraumes 21 und anderseits eine Vergrößerung der wirksamen Beaufschlagungsfläche 16 des Schwenkkolbens 12 erreicht, so daß hinsichtlich der Drehmomentbeaufschlagung des Rotors 2 die Entspannung des Dampfes zum Teil durch eine Vergrößerung der wirksamen Beaufschlagungsfläche 16 des Schwenkkolbens 12 ausgeglichen werden kann. Der sich in Drehrichtung des Rotors 2 in radialer Richtung erweiternde Ringraum 4 bedingt somit eine mit einer Verbesserung des Wirkungsgrades einhergehende Leistungssteigerung des Motors. Während der Druckbeaufschlagung des Schwenkkolbens 12 über die geöffnete Gaszuleitung 9 kann keine Entspannung des hochgespannten Dampfes eintreten, so daß eine radiale Erweiterung der Innenfläche der Umfangswand 7 in diesem Bereich zu keiner Verbesserung des Wirkungsgrades führt. Im Bereich des Ringraumendes gleitet der Schwenkkolben 12 auf die der Gasableitung 10 zugehörige Anlauffläche 8 auf, um am gegen den Rotor 2 vorstehenden Gehäuseansatz 5 vorbeigeführt und in einem neuen Arbeitshub mit Dampf beaufschlagt zu werden. Der entspannte Dampf wird über die Gasableitung 10 abgeführt. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, an Hand dessen vor allem die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine verdeutlicht werden sollte. So ist es beispielsweise möglich, zwei oder mehrere sich radial in Motordrehrichtung erweiternde Ringräume vorzusehen, was eine entsprechende Anzahl von rotationssymetrisch über den Umfang verteilte, gegen den Rotor vorstehende Gehäuseansätze zur gegenseitigen Abgrenzung der Ringräume erfordert, die im Bereich dieser den jeweiligen Ringraum begrenzenden Gehäuseansätze einen Gaszu- und einen Gasablauf aufweisen, so daß eine der Ringraumanzahl entsprechende Anzahl von Schwenkkolben eingesetzt werden kann, die in jedem Ringraum neu beaufschlagt werden. Patentansprüche: 1. Drehkolbenmaschine mit wenigstens einem zwischen einem Gehäuse und einem im Gehäuse drehbar gelagerten Rotor gebildeten Ringraum, der in Umfangsrichtung durch zwei gegensinnig geneigte Anlaufflächen zumindest eines dichtend am Rotor anliegenden Gehäuseansatzes zwischen einer Gaszu- und einer Gasableitung begrenzt ist, und mit einem auf dem Rotor um eine zur Rotorwelle parallele Achse gelagerten, entlang der Umfangswand des Gehäuses geführten und in eine Aufnahmetasche des Rotors eingreifenden Schwenkkolben je Ringraum, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ringraum (4) zwi- 5 AT 504 093 B1 sehen den beiden Anlaufflächen (8) in einer Umfangsrichtung radial erweitert und daß die Aufnahmetasche (13) die Rotorwelle (3) auf der der Schwenkachse (15) des Schwenkkolbens (12) abgewandten Seite übergreift.
2. 2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkkolben (12) eine zu seiner Schwenkachse (15) koaxiale, kreiszylindrische Beaufschlagungsfläche (16) aufweist.
3. 3. Drehkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmetasche (13) des Rotors (2) für den Schwenkkolben (12) gegenüber der Beaufschlagungsfläche (16) des Schwenkkolbens (12) abgedichtet ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen