Drehkolben-Kraft- oder -Arbeitsmaschine Die Erfindung betrifft eine Drehkolben-Kraft- oder -Arbeitsmaschine mit mindestens einem in einem Ringraum befindlichen, sich um seine Achse dre henden Kolben.
Sowohl die Kraftmaschinen als auch die Arbeits maschinen können grundsätzlich in rotierende Ma schinen und Maschinen mit hin und her gehenden Teilen, also Kolbenmaschinen, unterteilt werden. In den Bereichen von kleineren Leistungen, geringeren Fördermengen und höheren Drücken sind die rotie renden Maschinen den Kolbenmaschinen dem Wir kungsgrad nach unterlegen. Anderseits sind in diesen Bereichen die rotierenden Maschinen erheblich billiger herzustellen, auch betriebssicherer, ferner kleiner so wie leichter; weiterhin arbeiten sie erschütterungs freier 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).
Aufgabe der Erfindung ist es, eine in der Her stellung verhältnismässig einfache Maschine zu schaf fen, welcher die Vorteile der Kolbenmaschinen mit denen von rotierenden Maschinen vereint.
Gemäss der Erfindung soll diese Aufgabe in der Weise gelöst werden, dass die parallel zu der Achse des Drehkolbens liegenden Seitenwände des Ring raumes als stetig gekrümmt verlaufende Hüllflächen ausgebildet sind, die durch die Kolbenoberfläche im Verlaufe der kombinierten Bewegung, herrührend von der Eigendrehung des Drehkolbens um seine Achse und der Relativkreisung zwischen Drehkolben und Ringraum erzeugt werden, wobei die gegenüber liegenden Seitenwände mindestens eine engste Stelle bilden, deren Querschnitt dem Querschnitt einer massiven Dichtflosse genau angepasst ist, wobei Ring raum und Dichtflosse ebenfalls eine kreisende Relativ- Bewegung ausführen,
während der Drehkolben ausser dem mit Hilfe eines Abwälzantriebes in eine gleich mässige Rotation um seine Achse versetzt ist.
Auf diese Weise wird im Ringraum stets ein allseitig abgedichteter Expansions- bzw. Kompres sionsraum geschaffen, ohne dass hierzu eine oszillie rende Bewegung notwendig wäre, vielmehr erfolgen alle notwendigen Bewegungen völlig gleichförmig, also ohne Beschleunigungen oder Verzögerungen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Dabei zeigt Fig. 1 ein erstes Beispiel der Maschine mit still stehendem Ringraum schematisch in Seitenansicht, wobei die Seitenwand weggebrochen ist, Fig.2 ein weiteres Beispiel der Maschine mit umlaufendem Ringraum, ebenfalls in Seitenansicht schematisch, Fig. 3 die Maschine nach Fig. 1 in perspektivischer Darstellung, wobei der Deutlichkeit halber eine Be grenzungswand aufgebrochen ist, Fig. 4 eine Abwicklung des sich verengenden Ringraumes 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 Ringraum um die Hauptwelle umläuft, Fig. 6 einen Axialschnitt durch die Maschine nach einem weiteren Beispiel, bei welchem die Achse des Drehkolbens senkrecht zur Hauptwelle angeordnet ist und der Ringraum umläuft und Fig.7 in grösserem Massstab eine Ansicht der Engstelle in Richtung längs der Achse des Dreh kolbens.
Die Maschine weist eine Hauptwelle 1 und einen koaxial zu dieser Welle angeordneten, geschlossenen Ringraum 2 auf, der sich im Querschnitt stetig ändert, indem er durch Seitenwände 3 begrenzt ist (siehe beispielsweise Fig. 3 und 4), welche als durch die Drehkolbenoberfläche im Verlaufe der kombi nierten Bewegung, die sich aus Eigendrehung des Drehkolbens um seine Achse und der kreisenden Relativbewegung zwischen Ringraum und Drehkolben zusammensetzt, erzeugte Hüllflächen ausgebildet sind. Die Seitenwände 3 nähern sich also und bilden auf diese Weise eine oder mehrere engste Stellen 4. Je nach Ausbildung der Maschine können diese Seiten wände 3 in radialer Richtung eben verlaufen oder gewölbt sein.
Im Ringraum 2 ist eine als Ringsektor ausgebil dete, je nach der Zahl der engsten Stellen 4 kürzer oder länger gehaltene Dichtflosse 5 angeordnet, deren Querschnitt dem engsten Querschnitt des Raumes 2 angepasst ist (siehe beispielsweise Fig. 3 und 7). Die Dichtflosse 5 kann entweder die Seitenwände 3 in der engsten Stelle 4 berühren oder durch sehr feine Spalte von innen getrennt sein.
Ferner befindet sich im Raum 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. 1 und 2 sche matisch hervorgeht, erfährt der Drehkolben 7 seine Rotation durch Zahnräder 8 bzw. 9 von der Haupt welle 1 aus dergestalt, dass der Drehkolben eine völlig gleichmässige Bewegung um seine Achse ausführt und den veränderlichen Ringraum in jeder Stellung auf seinem ganzen Umfang abschliesst bzw. abdichtet, jedoch auch leicht durch die engste Stelle 4 hindurch geht.
Die Dichtflosse 5 und der Drehkolben 7 bewegen sich also gemeinsam relativ zum Ringraum 2 und bilden zusammen im Laufe der Drehung der Maschine immer wieder einen abgeschlossenen Arbeitsraum, der einerseits durch die Seitenwände 3, anderseits durch die Dichtflosse 5 in der engsten Stelle 4, weiter hin durch die äussere Begrenzungsfläche 10 und die innere Begrenzungsfläche 11 des Raumes 2 und endlich durch den mit seinen Flächen an den seit lichen und äusseren und inneren Begrenzungsflächen des Ringraumes 2 abdichtenden Drehkolben 7 be grenzt ist.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer sol chen Maschine, bei welcher der Ringraum 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 Gegenzahnrad 12 trägt. Die innere Begrenzungsfläche 11 bildet den Boden des Raumes 2 und ist mit der Hauptwelle 1 fest zusammengebaut und trägt ausser dem die Lagerung 13 für den Drehkolben 7 und die Dichtflosse 5.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführung der Maschine dargestellt, die sich von der ersten insofern unter scheidet, als dort der Ringraum 2 mit der Hauptwelle 1 umläuft, während die Dichtflosse 5 sowie der um seine Achse 6 rotierende Drehkolben 7 stillstehen. Im Beispiel nach Fig. 1 sowie Fig. 3 mit feststehen dem Ringraum 2 ist zwischen den feststehenden Wän den des Raumes 2 und dem umlaufenden Boden 11 eine Dichtung angeordnet. Im Beispiel nach Fig. 2 dagegen findet sich eine solche Dichtung zwischen der äusseren feststehenden Begrenzungsfläche 10 und den beiden mit der Hauptwelle rotierenden Seiten wänden 3.
Die Dichtflosse 5 ist dabei mit der äusseren Begrenzungsfläche 10 fest verbunden, ebenso trägt auch diese Begrenzungsfläche 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 unter worfen sind. Ausserdem überträgt dort jede geformte Seitenwand 3 des Ringraumes 2 Kraft, während nach dem ersten Beispiel der Drehkolben 7 als Kraftübertragungsglied an die Hauptwelle 1 dient.
In der Nähe der engsten Stelle 4 befindet sich je nach der Art der Maschine (Kraft oder Arbeit) in Drehrichtung gesehen vor oder hinter derselben in geeigneten Abständen das Einlass- bzw. Auslassorgan 14 (Fig. 7) bzw. mehrere solche Organe, welche das die Leistung liefernde oder aufnehmende gasförmige oder flüssige Medium einschleusen, je nachdem, ob es sich um eine Kraft- oder Arbeitsmaschine handelt. Die Auslass- bzw. Einlassorgane sind je nach dem gewünschten Grad der Expansion oder Kompression mehr oder weniger weit von der engsten Stelle 4 aus in oder gegen die Drehrichtung gesehen ange bracht.
Die Ein- und Auslassorgane lassen sich ver schiebbar bzw. in ihrer Grösse änderbar anbringen, wobei auch während des Betriebes das Expansions- und!oder das Kompressionsverhältnis geändert bzw. abgestimmt werden kann.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist die Drehrichtung des Kolbens 7 bei der Verwendung als Kraftmaschine in Richtung des Pfeiles K, bei der Verwendung als Arbeitsmaschine in Richtung des Pfeiles A.
Wenn die Maschine als Kraftmaschine arbeitet, wird die engste Stelle 4 stets zuerst von den Dreh kolben 7 passiert und dann von Dichtflossen 2 ver schlossen. Soll jedoch die Maschine zur Abgabe von Arbeit dienen, so läuft stets die Dichtflosse 5 voraus und dann erst folgt der Drehkolben 7 beim Passieren jeder engsten Stelle 4.
In den gezeichneten Beispielen ist der Einfachheit halber nur eine engste Stelle dargestellt. Es ist je doch möglich, dass der Ringraum 2 auch mehrere engste Stellen 4 sowie mehrere Drehkolben 7 und eine entsprechende Anzahl Dichtflossen 5 haben kann. Auch ist es in manchen Fällen günstig, mehrere Ringräume koaxial, gerade undjoder schräg seitlich übereinander oder nebeneinander anzuordnen, wobei alle auf dieselbe oder mehrere getrennte achsfluch tende Wellen arbeiten. Dabei können die Ringräume zur Expansion oder zur Kompression verwendet wer den. Die zuletzt genannte Möglichkeit kommt z. B.
bei der Verwendung der Maschine als Brennkraft- maschine in Frage, wo neben-, über- oder hinter einander gelegene Ringkanäle abwechselnd oder in Gruppen als Kraft- oder Arbeitsmaschine (Verdichter) arbeiten.
In den Fig. 5 und 6 sind besonders vorteilhafte Beispiele der Maschine dargestellt.
Das Besondere an dem Beispiel nach Fig. 5 be steht darin, dass die Achse 6 des Drehkolbens 7 parallel zur Hauptwelle 1 angeordnet ist, wodurch sich nicht nur ein besonders einfacher Antrieb der Achse 6 des Drehkolbens 7 ergibt, sondern auch eine sehr einfache Ausbildung der Seitenwände 15 des Ringraumes 2. Diese Seitenwände 15 können näm lich bei diesem Beispiel völlig eben gestaltet sein, während die äussere Wand 16 und die innere Wand 17 des Ringraumes 2 als Hüllflächen mit regelmässiger Krümmung ausgebildet sind.
Im Beispiel nach Fig. 5 bilden die gekrümmten Flächen 16 und 17 und die ebene Seitenwand 15 ein Ganzes, welches mit Hilfe der Nabe 18 auf der Hauptwelle 1 aufgekeilt ist und umläuft. Die zweite Seitenwand 15, welche die La gerung 13 für die Drehkolbenachse 6 trägt, ist fest stehend 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. Die Dichtflosse wird dabei durch einen Abschnitt einer Zylinderwand ge bildet.
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 gekrümmten Wände 16 und 17 um laufen.
Ausserdem ist es ohne weiteres möglich, die das Lager 13 tragende Seitenwand 15 mit der Haupt welle 1 umlaufen zu lassen und den durch die Wände 16, 17 und 15 gebildeten Ringraum 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 Zahn rad 20 bei seiner kreisenden Bewegung auf dem feststehenden Zahnrad 21 abwälzt und dabei den Drehkolben 7 in eine gleichmässige rotierende Bewe gung versetzt.
Das Beispiel nach Fig. 6 zeichnet sich dadurch aus, dass die Achse 6 des Drehkolbens 7 senkrecht zur Hauptwelle 1 angeordnet ist, wobei jedoch der Ringraum 2 umläuft, der durch die Seitenwände 23 und durch die innere Wand 24 gebildet ist, die als sphärisch gekrümmte Ringfläche ausgebildet ist, so dass sich der Drehkolben 7 mit seiner korrespondie renden 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 Ringraum 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 innen eine Dichtfläche auf, die in Form einer Kugel- kalotte gehalten ist. Zwischen der äusseren Wand 26 und den umlaufenden Seitenwänden 23, die ge krümmt, ähnlich einer Zykloide, gestaltet sind, sind wiederum Dichtungen 22 angeordnet. Der umlaufende Ringraum 2 ist vollständig eingeschlossen durch fest stehende Scheiben 28 und 29, die gleichzeitig als Lagerung der Hauptwelle 1 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 Drehkolben achse 6 angeschraubt. Der Antrieb des Drehkolbens 7 erfolgt in diesem Beispiel über einen von der Haupt welle 1 angetriebenen Winkeltrieb 31, über eine Welle 32 und Zahnräder 33, 34 und 35, wobei das Zahnrad 35 mit der Drehkolbenachse 6 fest ver bunden ist. Die in diesem Fall vertikal angeordnete Hauptwelle 1 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 Haupt welle 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 der Maschine, also ein sehr guter Wirkungsgrad erzielt werden kann. In diesem Falle ist die Dichtflosse 5 nur auf der Länge des Drehkolbens 7 unterbrochen. Die Enden 37 und 38 der Dichtflosse 5 sind als mit den Enden 39 und 40 des Drehkolbens 7 zusammenwirkende Dichtflächen ausgebildet. Die Dichtflosse 5 weist einen solchen Querschnitt auf, dass sie die engste Stelle 4 voll ausfüllt. In der gezeichneten Stellung dichtet nun der Drehkolben 7 mit seinem Ende 40 an der gekrümmten Seitenwand 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 Kompres sor (Arbeitsmaschine) dienen soll. Dann befindet sich in diesem Arbeitsraum 41 in einer der senkrecht zur Drehachse 6 des Kolbens 7 verlaufenden Wänden ein Auslassventil 14 in Drehrichtung gesehen unmittel bar vor der engsten Stelle 4. Dieses Ventil 14 kann beispielsweise durch ein aus dem Kraftftahrzeugmotor bekanntes pilzartig geformtes, über Nocken gesteuer tes Ventil ausgebildet sein. Durch die Anordnung dieses Ventils 14 seitlich von der radialen Symme trieebene der Maschine wird erreicht, dass im Ar beitsraum 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 Dreh kolbens 7, die für den Fall gilt, dass die Maschine als Kraftmaschine, z. B. Dampfmaschine, arbeiten soll. Für diesen Fall findet sich in Drehrichtung ge sehen unmittelbar hinter der engsten Stelle 4 ein Einlassventil 42, das beispielsweise genau so aus gebildet und gesteuert sein kann wie das erwähnte Auslassventil 14.
Falls die Maschine als Arbeitsmaschine, z. B. als Kompressor ausgebildet ist, ist in einer der Wände des Ringraumes 2 in der Nähe der engsten Stelle 4 gegenüber dem Auslassventil 14 ein Einlassschlitz an geordnet, der unverschlossen sein kann.
Falls die Maschine jedoch z. B. als Dampfkraft maschine ausgebildet ist, befindet sich neben der engsten Stelle 4 gegenüber dem Einlassventil 42 ein Auslassschlitz, der ebenfalls ungesteuert sein kann.
Es wurden Untersuchungen angestellt, in welchen Bereichen die Maschine besonders wirtschaftlich ar beitet. Dabei hat sich ergeben, dass bei einem Ver hältnis der Geschwindigkeit der kreisenden Bewe gung des Drehkolbens zur Rotationsgeschwindigkeit des Drehkolbens gleich oder grösser acht unabhängig von der Drehzahl hervorragende wirtschaftliche Kon struktionen möglich sind.
Gleichgültig, ob die Maschine als Kraft- oder als Arbeitsmaschine dient, ist es zur Erzielung einer wirt schaftlich günstigen Lösung vorteilhaft, einen Ring raum mit mehreren engsten Stellen und einem oder mehreren Drehkolben und einer oder mehreren Dicht flossen anzuordnen oder noch besser die Neben einanderaufstellung von Ringräumen, ebenfalls je mit einer oder mehreren engsten Stellen und einem oder mehreren Drehkolben und einer oder mehreren Dicht flossen.
Man kann ferner bei den verschiedenen Konstruk tionsmöglichkeiten ohne Schwierigkeit einstufig oder mehrstufig arbeitsleistend expandieren oder leistungs verbrauchend komprimieren. So kann z. B. eine in der neuen Art ausgebildete dampfangetriebene Maschine auf mehrere Gegendrücke mit oder ohne Kondensa tion arbeiten, wobei die einzelnen Expansionsverhält nisse, wie schon beschrieben, veränderlich gemacht werden können. Ähnliches gilt sinngemäss auch für die Verwendung der Maschine als Arbeitsmaschine.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die gekrümmt verlaufenden, zusammen mindestens eine engste Stelle bildenden Wände des Ringkanals je nach der Aus bildung der Enden der Drehkolben in Form von Zykloiden oder in einer ähnlichen Form gestaltet sind.