AT509207B1 - Fluidenergiemaschine mit einem unter druck stehenden innenraum - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine (1) mit zumindest einer Einlassöffnung (3, 3') und einer Auslassöffnung (4, 4') für ein Arbeitsmedium und einem ersten Zylinderrotor (5), der eine Mehrzahl kreisförmig um die Rotorachse angeordneter Zylinderbohrungen (6a bis 6f) aufweist, in denen Achsialkolben (7a bis 7f) gefuhrt sind. Dem ersten Zylinderrotor (5) gegenüberliegend ist ein zweiter Zylinderrotor (5') angeordnet, wobei die Rotorachsen einen Winkel einschließen und wobei jeder Achsialkolben (7a bis 7f) des ersten Zylinderrotors (5) mit einem entsprechenden Achsialkolben (7a' bis 7f') des zweiten Zylinderrotors (5') winkelig verbunden ist. Die Fluidenergiemaschine (1) weist einen unter Druck stehenden Innenraum (2) auf, welcher mit der unter Arbeitsdruck stehenden Dampfphase des Arbeitsmediums beaufschlagt ist.

Description

österreichisches Patentamt AT509 207 B1 2011-07-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine mit zumindest einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung für ein Arbeitsmedium und einem ersten Zylinderrotor, der eine Mehrzahl kreisförmig um die Rotorachse angeordneter Zylinderbohrungen aufweist, in denen Achsialkolben geführt sind, wobei dem ersten Zylinderrotor gegenüberliegend ein zweiter Zylinderrotor angeordnet ist, wobei die Rotorachsen einen Winkel einschließen und wobei jeder Achsialkolben des ersten Zylinderrotors mit einem entsprechenden Achsialkolben des zweiten Zylinderrotors winkelig verbunden ist.

[0002] Eine Fluidenergiemaschine dieser Art ist beispielsweise aus der US 5 222 427 A bekannt. Die Beaufschlagung der Kolbenrückseite wird in der US 5 222 427 A durch ein sehr kompliziertes Ventilsystem gesteuert, bei dem ein feststehender Ventilring an der Außenwandung des Zylinderrotors schleifend anliegt und zu den Zylindern führende Bohrungen in Abhängigkeit der Rotationslage mit Arbeitsmedium unterschiedlichen Drucks beaufschlagt. Dabei ist die zum Maschineninnenraum gerichtete Zylinderöffnung durch eine Verschlussplatte abgedeckt, welche auch die daran schleifenden Außenseiten der Kolbenstangen abdichten muss.

[0003] Die WO 2009/049344 A2 offenbart eine Wärmekraftanlage zur kombinierten Erzeugung von thermischer und mechanischer Energie mit einem Axialkolbenmotor, dessen zum Kolbenrotor hin gewandter, hinter dem Zylinderrotor befindlicher Innenraum mit dem Dampferzeuger in Verbindung steht und mit einer unter Arbeitsdruck stehenden flüssigen Phase eines Arbeitsmediums, vorzugsweise der unter Arbeitsdruck stehenden flüssigen Phase des Arbeitsmediums des Dampferzeugers, gefüllt ist, wobei an der dem Kolbenrotor abgewandten Seite des Zylinderrotors in der an diesem anliegenden Wandung des Motorgehäuses in der Bewegungsbahn der Zylinderöffnungen voneinander getrennt eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung vorgesehen sind, und wobei die Einlassöffnung mit der unter Arbeitsdruck stehenden Dampfphase des Dampferzeugers und die Auslassöffnung mit der unter Normal- bzw. Unterdrück stehenden Dampfphase des Kondensators verbunden ist. Die mit dem Zylinderrotor mitgeführten Kolben (diese werden als „Achsialkolben" bezeichnet) müssen an ihrem gegenüberliegenden Ende beweglich auf einem Kolbenrotor befestigt sein, wobei die Befestigung üblicherweise mit einem Kugelgelenk erfolgt, sodass die Kolben im Bezug auf den Kolbenrotor eine taumelnde Bewegung ausführen. Überdies sind einige kinematische Probleme zu berücksichtigen, da die Bahnkurven eines Rotors, der im Bezug auf eine Drehachse schräg angeordnet ist, hinsichtlich einer normal zur Drehachse ausgerichteten Ebene eine elliptische Umlaufbahn aufweist. Diese Abweichung von der Kreisbahn verstärkt sich mit der Größe des Winkels zwischen Zylinder- und Kolbenrotor, sodass solche Maschinen auf kleine Stellwinkel, meist im Bereich von weniger als 10°, beschränkt sind.

[0004] Es ist das Ziel der gegenständlichen Erfindung, eine Fluidenergiemaschine zu schaffen, deren Kolben in den im Zylinderrotor vorgesehenen Zylinderbohrungen mitgeführt sind, wobei die Kolben jedoch keine Befestigung, insbesondere keine „taumelnde" Befestigung, an einem anderen Rotor erfordern.

[0005] Es ist das Ziel der gegenständlichen Erfindung, eine Fluidenergiemaschine zu schaffen, deren Kolben in den im Zylinderrotor vorgesehenen Zylinderbohrungen mitgeführt sind, wobei die Kolben jedoch keine Befestigung, insbesondere keine „taumelnde" Befestigung, an einem anderen Rotor erfordern.

[0006] Dieses und andere Ziele der Erfindung werden durch eine Fluidenergiemaschine der eingangs genannten Art erreicht, bei welcher die Fluidenergiemaschine einen unter Druck stehenden Innenraum aufweist, welcher mit der unter Arbeitsdruck stehenden Dampfphase des Arbeitsmediums beaufschlagt ist.

[0007] Die einzelnen „Winkelkolben" werden dabei von den symmetrisch gegenüberliegend angeordneten Zylinderrotoren mitgeführt, wobei jeder Achsialkolben im Bezug auf den entsprechenden Zylinderrotor eine geradlinige Bewegung längs der Zylinderbohrung ausführt. Gleichzeitig rotiert der Kolben in der Zylinderbohrung relativ zu dieser mit einer Kolbenumdrehung pro 1 /12 österreichisches Patentamt AT509 207B1 2011-07-15

Umdrehung des Zylinderrotors. Es ist keinerlei taumelnde Befestigung der Kolben erforderlich; im Grunde werden die Kolben gar nicht fixiert, sondern nur von den Zylinderbohrungen mitgeführt. Die winkelige Verbindung der Achsialkolben ist vorzugsweise starr. Die Bahnkurve der winkeligen Verbindungen der Achsialkolben ist zwar elliptisch, dies ist jedoch unproblematisch, da die Winkel „frei" mit den Achsialkolben mitgeführt sind und keine weitere Befestigung oder Führung erfordern.

[0008] Diese kinematischen Zusammenhänge erlauben eine große Flexibilität hinsichtlich des Winkels zwischen den beiden Rotorachschen, wobei in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Kolbenachsen einen Winkel zwischen 12° und 24°, vorzugsweise etwa 18°, einschließen können. Trotz eines großen Winkels bleiben die kinematischen Vorteile der Anordnung (kein Taumeln) gewahrt.

[0009] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Zylinderrotoren durch ein Getriebe oder ein in der Verbindungsachse der Rotoren angeordnetes Kreuzgelenk gegen ein relatives Verdrehen zueinander gesichert sein. Dies verhindert, dass die Winkelverbindungen der Achsialkolben einer übermäßigen Biegebeanspruchung unterworfen sind, falls an den beiden Zylinderrotoren unterschiedliche Abtriebsmomente anliegen.

[0010] In vorteilhafter Weise kann jeder Achsialkolben eine Kolbenstange aufweisen, wobei jeder Rotor einen Führungsköper mit Führungen für die Kolbenstange und einen über den Rand des Führungskörpers hinausragenden Zylinderrotor mit den Zylinderbohrungen aufweisen kann, wobei der Führungskörper jede Zylinderbohrung zum Innenraum hin nur teilweise abdeckt.

[0011] Dies ermöglicht einerseits eine leichtere Bauweise, andererseits kann der Durchmesser der Zylinder, und somit der Wirkungsgrad der Maschine erhöht werden. Der Führungskörper kann eine Scheibe mit Führungsbohrungen sein, wobei weitere Ausnehmungen zur Gewichtsreduktion vorgesehen sein können. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, einzelne Führungen, beispielsweise Führungshülsen, vorzusehen, die beispielsweise sternförmig oder über einen Radkranz miteinander und mit dem Zylinderrotor verbunden sind.

[0012] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass die dem Innenraum abgewandte Seite des Zylinderrotors durch eine in Bezug auf den Zylinderrotor feststehende Steuerscheibe abgedeckt ist, wobei die Zylinderbohrungen in Abhängigkeit der Rotationslage des Zylinderrotors über die Steuerscheibe jeweils entweder mit der Einlassöffnung oder mit der Auslassöffnung in Verbindung stehen, oder durch die Steuerscheibe abdichtend bedeckt sind. Durch die Steuerscheibe werden die einzelnen Kolben in Abhängigkeit von Ihrer Lage einer unterschiedlichen Kraft ausgesetzt, welche den Antrieb der Zylinderrotoren bewirkt.

[0013] In vorteilhafter Weise kann die Einlassöffnung mit dem Innenraum der Maschine in Fluidverbindung stehen. Wird die Fluidenergiemaschine als Dampfmaschine betrieben, kann der Innenraum mit der unter Arbeitsdruck stehenden Dampfphase eines Dampfkessels beaufschlagt sein. Die Auslassöffnung kann mit der unter Normal- bzw. Unterdrück stehenden Dampfphase des Kondensators verbunden sein. Die Maschine arbeitet dann im Druckgefälle zwischen dem Dampfkessel und dem Kondensator.

[0014] Eine vorteilhafte Ausführungsform der gegenständlichen Erfindung sieht vor, dass die Steuerscheibe vier aufeinander folgende Sektoren, nämlich einen der Einlassöffnung zugeordneten Dampfeinlassbereich, einen abdichtenden Entspannungsbereich, einen der Auslassöffnung zugeordneten Dampfauslass- oder Arbeitstakt-Bereich und einen Leerbereich zwischen dem Dampfauslass- und dem Dampfeinlassbereich aufweist. Im Dampfeinlassbereich strömt der Dampf unter hohem Druck in den Zylinder, wird im Entspannungsbereich vorentspannt und wird im Dampfauslassbereich über die Auslassöffnung abgegeben. Der in dem Dampfauslassoder Arbeitstakt-Bereich entstehende Druckunterschied zwischen dem hohen Innenraumdruck (auf der einen Seite des Kolbens) und dem niedrigen Kondensatordruck (auf der der Steuerscheibe zugewandten Seite des Kolbens) bewirkt, dass die Kolben auf Zug belastet werden und treibt dadurch die Zylinderrotoren an. Das Wirkprinzip ist vergleichbar mit dem Wirkprinzip, das 2/12 österreichisches Patentamt AT509 207 B1 2011-07-15 in der WO 2009/049344 im Zusammenhang mit den Figuren 10 und 11 beschrieben ist.

[0015] In vorteilhafter Weise kann die Steuerscheibe im Leerbereich einen Kondensatrückführungskanal aufweisen über den überschüssiges Kondensat abgeführt werden kann.

[0016] In vorteilhafter Weise kann der Dampfauslassbereich der Steuerscheibe mehr nebeneinander liegende Zylinderbohrungen umfassen als der Dampfeinlassbereich, wobei der Dampfeinlassbereich bevorzugt nur eine Zylinderöffnung gleichzeitig umfasst. Somit wird die Länge und die Wirkung des Arbeitstaktes maximiert.

[0017] Die Erfindung betrifft weiters eine Wärmekraftanlage zur kombinierten Erzeugung von thermischer und mechanischer Energie, welche Anlage einen Dampferzeuger, einen Kondensator, eine Speisewasserpumpe und im Druckgefälle zwischen dem Dampferzeuger und dem Kondensator eine mechanische Abtriebswellen treibende Fluidenergiemaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist. Die Anlage kann im Rahmen kleinerer Anlagen, wie etwa bei Blockheizkraftwerken oder bei Klein- und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, vorteilhaft eingesetzt werden, und ermöglicht eine optimale Energieausbeute und eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades.

[0018] In vorteilhafter Weise kann die Einlassöffnung / können die Einlassöffnungen mit der unter Arbeitsdruck stehenden Dampfphase des Dampferzeugers und die Auslassöffnungen, mit der unter Normal- bzw. Unterdrück stehenden Dampfphase des Kondensators verbunden sein, wobei der Innenraum mit der unter Arbeitsdruck stehenden Phase des Dampferzeugers verbunden sein kann. Als Einlassöffnung kann dabei auch eine Verbindung zum Innenraum vorgesehen sein.

[0019] Die Erfindung und die mit ihr verbundenen Vorteile werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschreiben.

[0020] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer aufgeschnittenen erfindungsgemäßen

Fluidenergiemaschine, [0021] Fig. 2 erläutert die einzelnen Sektoren der Steuerscheibe, [0022] Fig. 3 zeigt eine schematische aufgerollte Darstellung eines Kreisschnitts durch die einzelnen Zylinder und Kolben zur Erläuterung des Kolbenhubes, die [0023] Fig. 4a bis 4c veranschaulichen die Auswirkungen unterschiedlicher Winkel zwischen den Kolbenachsen auf den Zylinderhub, [0024] Fig. 5a und 5b zeigen eine Steuerscheibe in schaubildlicher Darstellung beziehungs weise in einer Draufsicht, [0025] Fig. 6a und 6b zeigen einen Zylinderrotor in schaubildlicher Darstellung beziehungswei se in einer Draufsicht, [0026] Fig. 7 zeigt in schaubildlicher Darstellung eine erfindungsgemäße Fluidenergiemaschi ne mit zwei daran angeschlossenen Generatoren und [0027] Fig. 8 zeigt die Fluidenergiemaschine der Fig. 7 in einer Schnittansicht.

[0028] Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine 1 in einer schematischen Darstellung. Der abgedichtete Innenraum 2 wird von einem Gehäuse 17 begrenzt, wobei ein Druckanschluss 18 vorgesehen ist, über den der im Innenraum 2 herrschende Druck regulierbar ist. Die Maschine ist symmetrisch aufgebaut, wobei die Bezugszeichen der in den Zeichnungen rechten Seite mit einem Apostroph gekennzeichnet sind. In folgenden werden der Übersichtlichkeit halber die mit Apostroph versehenen Bezugszeichen nur dort verwendet, wo dies für das Verständnis erforderlich ist.

[0029] Die Fluidenergiemaschine kann sowohl als Pumpe, als auch als Motor verwendet werden, wobei sie in einem Druckgefälle eines Fluidmediums arbeitet. Das Fluid kann eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Mischung unterschiedlicher Phasen sein, wobei die Erfindung insbesondere für die Verwendung als Dampfmotor geeignet ist. Die folgende Beschreibung basiert daher 3/12 österreichisches Patentamt AT509 207B1 2011-07-15 auf dem Beispiel eines Dampfmotors, die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.

[0030] Im Innenraum 2 der Fluidenergiemaschine 1 sind zwei spiegelbildlich gegenüberliegende Rotoreinheiten vorgesehen, wobei jede Rotoreinheit einen Zylinderrotor 5, einen Führungskörper 9 und eine Welle 16 aufweist. Der Schnittpunkt der Drehachsen der beiden Rotoreinheiten liegt in der Quer-Symmetrieebene des Motors, wobei die Drehachsen miteinander einen Winkel einschließen. Jeder Zylinderrotor 5 weist sechs Zylinderbohrungen 6a bis 6f auf, deren dem Innenraum 2 zugewandte Seite zu diesem hin offen (wenn auch teilweise von dem Führungskörper 6 abgedeckt) ist. An der dem Innenraum 2 gegenüberliegenden Seite („Hubseite") liegt der Zylinderrotor an einer Steuerscheibe 12, 12' an, welche die Hubseite der Zylinder 6a bis 6f in Abhängigkeit von ihrer Rotationslage abdichtet oder mit einer Einlassöffnung 3 oder einer Auslassöffnung 4 verbindet.

[0031] Jeder Kolben 7a bis 7f des ersten Zylinderrotors 5 ist über eine Kolbenstange 8a bis 8f und eine winkelig daran anschließende Kolbenstange 8a' bis 8f mit dem entsprechenden Kolben 7a' bis 7f des zweiten Zylinderrotors 5' verbunden. Die Kolbenstangen 8a bis 8f und 8a' bis 8f' weisen in der Symmetrieebene einen Knick auf. Dieser „Knick" ist eine schematische Darstellung, in der Praxis ist es vorteilhaft, wenn jedes zusammengehörige Kolbenstangenpaar (z.B. 8a und 8a') durch einen Verbindungswinkel miteinander verbunden wird, sodass ein einfacher Zusammenbau des Motors möglich ist.

[0032] Bei einer Drehung der Rotoreinheiten bewegen sich die Verbindungswinkel in der Symmetrieebene, wobei sie eine elliptische Umlaufbahn beschreiben. Dabei zeigt der Winkel zweier zusammengehöriger Kolbenstangen (d.h. der Winkel zwischen 8a und 8a', 8b und 8b', etc.) immer in die selbe Richtung (also im Bild nach oben), während der erste Teil der Kolbenstangen 8a bis 8f sich in einer um die Drehachse des ersten Zylinderrotors 5 gedachten Zylinderfläche bewegen, sodass sie immer parallel zu dieser Drehachse bleiben, und sich der zweite Teil der Kolbenstangen 8a' bis 8f' in einer gedachten Zylinderfläche um die Drehachse des zweiten Zylinderrotors 5' bewegen, sodass sie immer parallel zu der Drehachse dieses Zylinderrotors 5' bleiben. Obwohl die Winkelverbindungen nicht eigens geführt sondern nur zwischen den Kolbenstangen gehalten sind, ist ihre Position durch die jeweilige Rotationsstellung der beiden Zylinderrotoren 5, 5' immer eindeutig bestimmt.

[0033] Auch die Positionen der beiden Zylinderrotoren 5, 5' sind durch die kinematischen Zusammenhänge immer aufeinander abgestimmt, sodass die beiden Rotoreinheiten synchronisiert sind. Um eine Biegebeanspruchung der Kolbenstangen bzw. der Winkelverbindungen zu vermeiden, kann zusätzlich ein Gleichlauf beispielsweise durch vorsehen eines entsprechenden Getriebes oder durch ein in der Verbindungsachse der Rotoren angeordnetes Kreuzgelenk erzwungen werden. Dies ist jedoch nur dann erforderlich, wenn sich die beiden auf den Wellen 16 und 16' anliegenden Lastmomente voneinander unterscheiden.

[0034] Der Führungskörper 9, 9' kann als auf dem Zylinderrotor 5, 5' befestigte Scheibe ausgebildet sein, in welche die einzelnen Führungsbohrungen 10a bis 10f und 10a' bis 10f' eingebracht sind, wie dies in der schematischen Darstellung der Fig. 1 gezeigt ist. Der Führungskörper 9, 9' kann jedoch auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise könnte für jede Kolbenstange eine einzelne Führung vorgesehen sein, z. B. eine Führungshülse, wobei die einzelnen Führungshülsen als Radkranz oder auch sternförmig mit einer Nabe verbunden sind. Dadurch lässt sich das Gewicht der Führungskörper 9, 9' reduzieren, wobei die Optimierung der Gestaltung für einen Fachmann ohne erfinderisch tätig zu werden möglich ist. Wesentlich ist, dass die Führungen, also beispielsweise die Führungsbohrungen 10 a bis 10f und 10a' bis 10f', sowohl eine translatorische Relativbewegung der Kolbenstangen parallel zur Drehachse der Rotoren, als auch eine rotatorische Relativbewegung um die Achse der Kolbenstangen 8a bis 8f und 8a' bis 8f' erlauben.

[0035] Die unterschiedlichen Stellungen der Kolbenelemente (bestehend aus einem Paar Kolben 7x und 7x', einem Paar Kolbenstangen 8x und 8x' und einem Winkelverbinder) führt dazu, dass sich die Kolben 7a bis 7f und 7a' bis 7f in den Zylinderbohrungen 6a bis 6f und 6a' bis 6f' 4/12 österreichisches Patentamt AT509 207B1 2011-07-15 bei jeder Umdrehung des Zylinderrotors 5, 5' einmal hin- und herbewegen. Diese Relativbewegung zwischen Kolben und Zylinderbohrung erfolgt geradlinig und ist frei von jeglichem Taumeln. Gleichzeitig rotieren die Zylinderbohrungen relativ zu dem entsprechenden Kolben pro Rotorumdrehung einmal um den Kolben, da dieser hinsichtlich der Winkelverbindung immer die selbe „Ausrichtung" aufweist, d. h. die Ausrichtung des von den Kolbenstangen gebildeten Winkels bleibt in jeder Lage parallel zum Winkel der beiden Rotationsachsen. Aus diesen Zusammenhängen ergibt sich für die Kolben bei jeder Umdrehung des Zylinderrotors ein Zylinderhub, der zum Antrieb des Motors genutzt wird.

[0036] Die Auswirkung des Winkels zwischen den Rotoreinheiten auf den erzielbaren Kolbenhub wird im Folgenden mit Bezugnahme auf die Figuren 4a bis 4c näher erläutert. Fig. 4a zeigt einen Motor mit einem Winkel von 12°, Fig. 4b einen Motor mit einem Winkel von 18° und Fig. 4c den Motor mit einem Winkel von 24°.

[0037] Die Kolben werden bei jeder Umdrehung zwischen der Lage, in der die Zylinderbohrungen 6a, 6a' sich am weitesten annähern und der Lage in der die Zylinderbohrungen 6d, 6d' am weitesten voneinander entfernt sind bewegt und wieder zurück. Wie aus den Fig. 4a bis 4c zu erkennen ist, wirkt sich der Stellungswinkel der Anlage unmittelbar auf den erzielbaren Kolbenhub aus, wobei ein größerer Winkel auch einen größeren Hub bewirkt.

[0038] Der Kolbenhub für alle Stellungen a bis f ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Die Stellung bei voll in den Zylinder eingeschobenen Kolben wird als oberer Totpunkt (OT) und die Stellung, bei der der Kolben am weitesten aus dem Zylinder zurückgezogen ist, wird als unterer Totpunkt (UT) bezeichnet. Bezogen auf die Darstellungen in den Figuren befindet sich der obere Totpunkt an der mit der Ergänzung „a" zu den Bezugszeichen bezeichneten Stellung (Stellung a) und der untere Totpunkt an der mit der Ergänzung „d" zu den Bezugszeichen bezeichneten Stellung (Stellung d).

[0039] Um die Fluidenergiemaschine 1 als Motor zu verwenden, wird die Hubseite der Zylinderbohrungen (d. i. die der Steuerscheibe zugewandte Seite) in Abhängigkeit von der Rotationsstellung des Zylinders mit einem unterschiedlichen Druck beaufschlagt. Die dadurch entstehenden Druckunterschiede zwischen dem auf die Kolbenrückseite wirkenden Druck im Innenraum 2 und dem durch die Steuerscheibe 12, 12' auf die Hubseite des Kolbens aufgebrachten Druck treiben den Motor an.

[0040] Die Steuerscheibe 12 lässt sich dabei in drei unterschiedliche Bereiche einteilen, die mit Bezug auf Fig. 2 erläutert werden. Kurz nach Durchlaufen des oberen Totpunkts („OT" -Stellung a) gelangt die Zylinderbohrung in den Bereich einer Einlassöffnung 3. In dieser wird Dampf unter hohem Druck in den Zylinder eingeleitet (Dampfeinlassbereich). In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entspricht der Druck, mit dem der Dampf in den Zylinder eingeleitet wird, dem Druck im Innenraum 2 des Motors, der vorzugsweise mit der Dampfphase eines Dampferzeuger gespeist wird (z. B. über den in Fig. 1 gezeigten Druckanschluss 18). Die Einlassöffnung 3 kann also einfach eine Verbindung zum Innenraum 2 des Motors hersteilen. In Fig. 2 ist die Einlassöffnung eine in die Steuerscheibe eingefräste Vertiefung, die über den Rand des Zylinderrotors 5 hinausreicht, und ein Eindringen des Dampfs aus dem Innenraum 2 in den Zylinder ermöglicht. Im Dampfeinlassbereich besteht im Wesentlichen kein Druckunterschied zwischen der Kolbenvorder- und -rückseite. In den Figuren entspricht der Dampfeinlassbereich im Wesentlichen der Stellung b.

[0041] Im nächsten Bereich, dem Entspannungsbereich, ist die Zylinderbohrung an der Hubseite durch die Steuerscheibe dicht abgedeckt, während sich der Zylinderhub vergrößert. Dieser Entspannungsbereich entspricht im Wesentlichen den mit den Ergänzungen c und d bezeichneten Stellungen. Dabei wird der Dampf im Zylinder leicht entspannt, wodurch sich aufgrund des Druckunterschiedes zwischen (höherem) Innendruck und (niedrigerem) Druck im Hubraum des Zylinders, eine Zugbelastung der Kolbenstangen in diesem Bereich ergibt. Da sich im Entspannungsbereich die Zylinderbohrungen (unter Überwindung der Zugkraft der Kolben) voneinander entfernen, wirkt die Zugbelastung zwar gegen die Antriebsrichtung des Motors, allerdings ist diese Wirkung nur gering und wird durch die Kräfte im nächsten Bereich, dem Arbeitsbereich 5/12 österreichisches Patentamt AT509 207B1 2011-07-15 der Maschine, ausgeglichen.

[0042] Im Arbeitsbereich (mit den Ergänzungen e und f bezeichnete Stellungen) gelangt die Hubseite der Zylinderbohrung in Verbindung mit der Auslassöffnung 4. Der Druck des Fluids in der Auslassöffnung 4 ist sehr gering, beispielsweise kann die Auslassöffnung zu einem Kondensator führen, sodass im Arbeitsbereich der Steuerscheibe der vom Dampfkessel erzeugte Druck auf der einen Seite des Kolbens (dem Innenraum 2) dem Normal- oder Unterdrück des Kondensators gegenübersteht. Der im Zylinderraum befindliche, vorentspannte Dampf entweicht durch die Auslassöffnung 4, während das im Zylinder vorhandene Volumen abnimmt und sich der Zylinderrotor weiter dreht, bis das Volumen schließlich im oberen Totpunkt (OT) ein Minimum annimmt. Dies ist auch der Bereich, bei dem die Zylinderbohrung den Bereich der Auslassöffnung verlässt, bevor sie wieder mit der Einlassöffnung 3 in Verbindung gelangt, und der Kreislauf von neuem beginnt.

[0043] Fig. 5a und 5b zeigen eine Steuerscheibe mit der entsprechenden Einlassöffnung 3 und der Auslassöffnung 4. In Fig. 6a und 6b ist ein Zylinderrotor 5 mit den Zylinderbohrungen 6a bis 6f dargestellt.

[0044] Fig. 7 zeigt in einer schaubildlichen Darstellung eine erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine 1, deren Wellen 16, 16' an jeweils einen Generator 11, 11' zur Stromerzeugung angeschlossen sind. Fig. 8 zeigt die Fluidenergiemaschine 1 nochmals in einer Schnittansicht. Wie in Fig. 7 erkennbar ist, ist die Steuerscheibe 12 an einem Gehäusedeckel 14 befestigt, wobei die Auslassöffnung (in Fig. 8 nicht sichtbar) die Steuerscheibe 12 und den Gehäusedeckel 14 durchdringt und in eine Vorkammer 13 einmündet. Die Vorkammer 13 besteht im Wesentlichen aus einem zylindrischen Gehäuse, welches um die Welle 16 herum angeordnet ist. An der Vorkammer 13 ist ein Armaturenanschluss 15, etwa für ein Thermometer, Manometer, eine andere Messeinheit oder ein Sicherheitsventil, und ein Rohrstutzen 19 vorgesehen, welcher zu dem Kondensator führt. In vorteilhafter Weise kenn am Armaturenanschluss 15 auch ein Einspritzkondensator angeordnet sein um das Kondensieren des Abdampfs durch Einspritzen von fein verteiltem Kühlwasser zu verstärken.

[0045] Der Dampf, der vom Dampferzeuger (nicht dargestellt) kommend unter hohem Druck über den Druckanschluss 18 in den Innenraum 2 eingeleitet wird, gelangt über die Einlassöffnung 3 der Steuerscheibe in den Zylinderkreislauf, von dort über die Auslassöffnung 4 in die Vorkammer 13 und dann weiter über den Rohrstutzen 19 zum Kondensator (nicht dargestellt). Dies geschieht natürlich gleichzeitig an beiden Seiten des Motors, wobei die in den Zylinderrotoren 5, 5' gewonnene Energie über die Wellen 16, 16' jeweils einem Generator 11,11' zur Erzeugung von elektrischer Energie zugeführt wird. BEZUGSZEICHENLISTE:

Fluidenergiemaschine (1) Führungsbohrungen (10a bis 10f) Innenraum (2) Generator (11,11') Einlassöffnung (3, 3') Steuerscheibe (12,12') Auslassöffnung (4,4') Vorkammer (13) erster Zylinderrotor (5) Gehäusedeckel 14 zweiter Zylinderrotor (5') Armaturenanschluss 15 Zylinderborhrung (6a bis 6f) Welle (16, 16') Achsialkolben (7a bis 7f) Gehäuse 17 Kolbenstange (8a bis 8f) Druckanschluss 18 Führungskörper (9,9') Rohrstutzen 19 6/12

Claims (12)

1. österreichisches Patentamt AT509 207 B1 2011-07-15 Patentansprüche 1. Fluidenergiemaschine (1) mit zumindest einer Einlassöffnung (3, 3') und einer Auslassöffnung (4, 4') für ein Arbeitsmedium und einem ersten Zylinderrotor (5), der eine Mehrzahl kreisförmig um die Rotorachse angeordneter Zylinderbohrungen (6a bis 6f) aufweist, in denen Achsialkolben (7a bis 7f) geführt sind, wobei dem ersten Zylinderrotor (5) gegenüberliegend ein zweiter Zylinderrotor (5') angeordnet ist, wobei die Rotorachsen einen Winkel einschließen und wobei jeder Achsialkolben (7a bis 7f) des ersten Zylinderrotors (5) mit einem entsprechenden Achsialkolben (7a1 bis 7f) des zweiten Zylinderrotors (5') winkelig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidenergiemaschine (1) einen unter Druck stehenden Innenraum (2) aufweist, welcher mit der unter Arbeitsdruck stehenden Dampfphase des Arbeitsmediums beaufschlagt ist.
2. 2. Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenachsen einen Winkel zwischen 12° und 24°, vorzugsweise etwa 18°, einschließen.
3. 3. Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderrotoren (5, 5') durch ein Getriebe oder ein in der Verbindungsachse der Rotoren angeordnetes Kreuzgelenk gegen ein relatives Verdrehen zueinander gesichert sind.
4. 4. Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Achsialkolben (7a bis 7 f und 7a' bis 7f) eine Kolbenstange (8a bis 8f und 8a' bis 8f) aufweist, wobei jeder Rotor einen Führungskörper (9, 9') mit Führungen (10a bis 10f und 10a' bis 10f) für die Kolbenstangen und einen über den Rand des Führungskörpers (9, 9') hinausragenden Zylinderrotor (5, 5') mit den Zylinderbohrungen (6a bis 6f und 6a' bis 6f) aufweist, wobei der Führungskörper (9, 9') jede Zylinderbohrung (6a bis 6f und 6a' bis 6f) zum Innenraum (2) hin nur teilweise abdeckt.
5. 5. Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Innenraum (2) abgewandte Seite des Zylinderrotors (5, 5') durch eine in Bezug auf den Zylinderrotor (5, 5') feststehende Steuerscheibe (12, 12') abgedeckt ist, wobei die Zylinderbohrungen (6a bis 6f und 6a' bis 6f) in Abhängigkeit der Rotationslage des Zylinderrotors (5, 5') über die Steuerscheibe (12, 12') jeweils entweder mit der Einlassöffnung (3, 3') oder mit der Auslassöffnung (4, 4') in Verbindung stehen, oder durch die Steuerscheibe (12; 12') abdichtend bedeckt sind.
6. 6. Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (3, 3') mit dem Innenraum (2) der Maschine in Fluidverbindung steht.
7. 7. Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe (12, 12') vier aufeinander folgende Sektoren, nämlich einen der Einlassöffnung (3, 3') zugeordneten Dampfeinlassbereich (I), einen abdichtenden Entspannungsbereich (II), einen der Auslassöffnung (4, 4') zugeordneten Dampfauslass- oder Arbeitstakt-Bereich (III) und einen Leerbereich (IV) zwischen dem Dampfauslass- (III) und dem Dampfeinlassbereich (I) aufweist.
8. 8. Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe (12,12') im Leerbereich (IV) einen Kondensatrückfuhrungskanal aufweist.
9. 9. Fluidenergiemaschine (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfauslassbereich (III) der Steuerscheibe (12, 12') mehr nebeneinander liegenden Zylinderbohrungen (6a bis 6f und 6a' bis 6f) umfasst als der Dampfeinlassbereich (I), wobei der Dampfauslassbereich (III) bevorzugt nur eine Zylinderöffnung gleichzeitig umfasst.
10. 10. Wärmekraftanlage zur kombinierten Erzeugung von thermischer und mechanischer Energie, welche Anlage einen Dampferzeuger, einen Kondensator, eine Speisewasserpumpe und im Druckgefälle zwischen dem Dampferzeuger und dem Kondensator eine mechanische Abtriebswellen (16, 16') treibende Fluidenergiemaschine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist. 7/12 österreichisches Patentamt AT509 207 B1 2011-07-15
11. 11. Wärmekraftanlage nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnungen (3 ,3') mit der unter Arbeitsdruck stehenden Dampfphase des Dampferzeugers und die Auslassöffnungen (4, 4') mit der unter Normal- bzw. Unterdrück stehenden Dampfphase des Kondensators verbunden sind.
12. 12. Wärmekraftanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (2) mit der unter Arbeitsdruck stehenden Phase des Dampferzeugers verbunden ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 8/12