CH520264A

CH520264A - Rotations-Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: CH520264A
Application number: CH1535770A
Authority: CH
Inventors: Jay Tucker Phillip
Original assignee: Jay Tucker Phillip
Priority date: 1970-10-16
Filing date: 1970-10-16
Publication date: 1972-03-15

Description

Rotations-Wärmekraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Rotations-Wärmekraftmaschine zur Umwandlung der thermischen Energie eines Gases in mechanische Energie, bestehend aus einem Gehäuse mit zwei einander gegenüberliegenden Endflanschen, von denen der eine Mittel für den Gaseintritt und der andere Mittel für den Gasaustritt aufweist, und einem zwischen den Endflanschen auf einer in denselben gelagerten Welle montierten zylindrischen Rotor mit schraubenlinienförmigen, vom einen zum anderen Endflansch verlaufenden Gasströmungspfaden.

Bei bekannten Rotations-Wärmekraftmaschinen der genannten Art sind die Gasströmungspfade z. B.

durch auf der Aussenseite des Rotors vorhandene Teile in Zusammenwirkung mit der Innenwand eines zylindrischen Gehäuses, einem Führungskörper oder dergleichen gebildet. Ferner werden Rotoren verwendet, die an ihrer Aussenseite schraubenlinienförmige Gasströmungspfade aufweisen, in welche verschiedene den Gasstrom beeinflussende Vorsprünge ragen. Bisher konnte jedoch mit den Maschinen bekannter Konstruktion die Leistungsfähigkeit herkömmlicher Gasturbinen oder Maschinen mit innerer Verbrennung nicht erreicht werden.

Der Zweck dieser Erfindung ist die Schaffung einer Rotations-Wärmekraftmaschine mit besonders vorteilhaft ausgebildeten und angeordneten Gasströmungspfaden, um den praktisch erreichbaren Wirkungsgrad gegenüber den anderen derzeit bekannten Wärmekraftmaschinen zu erhöhen.

Die Erfindung besteht darin, dass der Rotor in seinem Innern mit einer Mehrzahl schraubenlinienförmig verlaufender Gasströmungspfade gleicher Windungsrichtung und Steigung versehen ist, wobei jeder Gasströmungspfad eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Streckenabschnitte mit Teilstrecken von abnehmendem, zunehmendem und konstantem Durchlassquerschnitt aufweist, in denen die Wärmeenergie des mit Druck durch die Gasströmungspfade strömenden Gases in mechanische Energie zur Drehung des Rotors umgewandelt wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Rotations-Wärmekraftmaschine, teils im Längsschnitt;
Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 2;
Fig. 3 ein Schaubild mit voneinander getrennten und auseinandergezogenen Bauteilen;
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang einer halbzylindrischen Fläche, die durch einen der inneren schraubenlinienförmigen Gasströmungspfade des Rotors verläuft, zwecks Darstellung der Querschnittsveränderung längs eines solchen Gasströmungspfades;
Fig. 5 eine Schnittansicht nach der Linie V-V in Fig. 4;
Fig. 6 eine andere Schnittansicht nach der Linie VI-VI in Fig. 4;
Fig. 7 eine diagrammatische Darstellung des in Fig. 4 gezeigten Gasströmungspfades in der Abwicklung.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Rotations-Wärmekraftmaschine besteht aus einem Gehäuse 20 und einem zylindrischen Rotor 40.

Das Gehäuse umfasst einen zylindrischen Gehäuseteil 21, der zweckmässig auf einer Grundplatte an einem Fahrzeug oder dergleichen befestigt ist. Der Zylinder 21 ist am einen Ende mit einem Endflansch 22 versehen und durch ein Gewinde 22' mit diesem verbunden. Am gegenüberliegenden Ende ist das Gehäuse ebenfalls mit einem Endflansch 23 abgeschlossen, der gleichermassen durch ein Gewinde 24 mit dem Zylinder 21 verbunden ist.

Der Endflansch 22 enthält Mittel für den Gaseintritt, die im Ausführungsbeispiel aus einem Verteiler bestehen, dem ein Gas mit hohen Druck und Temperaturwerten durch den Haupteintrittskanal 25 und eine Mehrzahl von Verteilkanälen 26 zugeführt wird. Die Verteilkanäle 26 sind an der Aussenseite des Endflansches 22 befestigt und derart angeordnet, dass jeweils eine Mehrzahl von Eintrittsöffnungen am Umfang eines Kreises gleichmässig verteilt sind. Von den Ein trittsöffnungen führen Kanäle zur Innenseite des Endflansches 22. Einer dieser Kanäle ist in Fig. 1 mit gestrichelten Linien dargestellt und mit 27 bezeichnet. Es ist ersichtlich, dass dieser Eintrittskanal 27 in einem Winkel zur Ebene des Endflansches 22 angeordnet ist.

Das Gas wird also an einer Mehrzahl von Stellen in das Gehäuse 20 eingeführt, wobei sich die Mündungen der Kanäle 24 mit den Einlassöffnungen der Gasströmungspfade im Rotor periodisch decken, wie aus der späteren Beschreibung genauer hervorgehen wird.

Der Endflansch 23 enthält eine ringförmige Austrittskammer 28, und in der zylindrischen Wand des Endflansches 23 sind Auslassöffnungen 29 vorgesehen, von denen eine in Fig. 3 sichtbar ist. Jede der Auslass öffnungen steht in Verbindung mit einer Auslassröhre 30.

Im Ausführungsbeispiel enthalten beide Endflansche 22 und 23 Mittel zur Lagerung einer drehbaren Welle 33. Diese Lagerungen sind mit 31 und 32 bezeichnet. Wie ersichtlich, ragt das eine Ende der Welle 33 aus dem Endflansch 23 heraus. An diesem Wellenende kann die mechanische Leistung abgeführt werden.

Der im Gehäuse 20 drehbare Rotor 40 ist fest auf der Welle 33 montiert. Wie weiter unten näher erklärt, kann der Rotor 40 aus einer Mehrzahl geeignet miteinander verbundener Scheiben bestehen, wodurch die Herstellung eines solchen Rotors einfacher und praktischer wird. Der Rotor 40 besitzt im Innern eine Mehrzahl schraubenlinienförmig verlaufender Gasströmungspfade, welche alle gleiche Windungsrichtung und Steigung haben. Im Ausführungsbeispiel sind die Gasströmungspfade in drei konzentrischen Zylinderflächen angeordnet. Selbstverständlich können die Gasströmungspfade auch in mehr oder weniger Zylinderflächen angeordnet sein. Die drei konzentrischen Zylinderflächen sind bezeichnet mit 41, 42 und 43. In der Zylinderfläche 41 können vier am Umfang gleichmässig verteilte Gasströmungspfade vorhanden sein, die sich über die ganze Länge des Rotors erstrecken.

In der Zylinderfläche 42 sind zwei Gasströmungspfade mehr vorgesehen, also total sechs. In der äussersten Zylinderfläche 43 sind nochmals zwei Gasströmungspfade mehr vorgesehen, also im ganzen acht. Bei dieser Anordnung in drei konzentrischen Zylinderflächen, die vier, sechs bzw.

acht Gasströmungspfade enthalten, kann der Endflansch 22 zwei, drei bzw. vier Eintrittskanäle 27 enthalten, deren ínnenseitige Mündungen auf konzentrischen Kreisen liegen, welche die gleichen Durchmesser aufweisen wie die Zylinderflächen 41, 4 und 43 des Rotors.

Jeder der Gasströmungspfade in den konzentrischen Zylinderflächen hat gemäss Fig. 1 einen Steigungswinkel von etwa 150 und ist rechtsgewunden. In Fig. 1 ist ein Gasströmungspfad 44 mit gestrichelten Linien gezeichnet, um den Verlauf der Pfade in der ersten Zylinderfläche 41 zu zeigen. Ein zweiter Gasströmungspfad 45 ist ebenfalls mit gestrichelten Linien gezeichnet, als Darstellung des Verlaufs der sechs Pfade in der zweiten Zylinderfläche 42. Schliesslich ist ein dritter Gasströmungspfad 47 in gestrichelten Linien über die ganze Länge des Rotors gezeichnet, um so einen der acht Pfade in der äussersten Zylinderfläche 43 darzustellen.

Eine ähnliche Darstellung, worin jeder dieser Gasströmungspfade mit einer einfachen gestrichelten Linie gezeichnet ist, erscheint in Fig.3. Es ist zu bemerken5 dass die Eintrittskanäle 27 im Endflansch 22 ebenfalls in einem Winkel von 15 bezüglich der Ebene des Endflansches 22 angeordnet sind, damit die Strömung über die sich periodisch deckenden Mündungen der Eintrittskanäle und Gasströmungspfade in gleichbleibender Richtung verläuft.

Eines der wichtigsten Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist die innere Bauweise der Gasströmungspfade im Rotor 40. In den Fig. 4 bis 6 ist einer dieser Gasströmungspfade dargestellt und mit 50 bezeichnet. Derselbe ist in Fig. 7 in seiner Abwicklung dargestellt. Der Gasströmungspfad 50 enthält eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Streckenabschnitte mit Teilstrecken von abnehmendem, zunehmendem und konstantem Durchlassquerschnitt. Ein ganzer Strecken abschnitt 51 von der Länge d umfasst eine erste Teilstrecke 52 mit abnehmendem Durchlassquerschnitt, gefolgt von einer zweiten Teilstrecke 53 mit zunehmendem Durchlassquerschnitt und einer dritten Teilstrecke 54 mit konstantem Durchlassquerschnitt. Die erste Teilstrecke 52 mit der Länge a ist etwa halb so lang wie die zweite Teilstrecke 53 mit der Länge b.

Die Teilstrecken 52 und 53 bilden zusammen den Arbeitsabschnitt, der etwa gleich lang ist wie der durch die Teilstrecke 54 gebildete Rückabschnitt mit der Länge c.

Es ist ersichtlich, dass das Gas mit hohem Druck und hoher Temperatur bei der Durchströmung der schraubenlinienförmigen Gasströmungspfade abwechselnd Teilstrecken mit veränderlichem und solche mit konstantem Durchlassquerschnitt passiert, wobei das Gas komprimiert wird, expandiert und unter konstanten Druckverhältnissen strömen kann.

Die Gasströmungspfade beginnen an der vorderen Endfläche des Rotors in der Weise, dass bei zwei diametral gegen überliegenden Gasströmungspfaden in der Zylinderfläche 41 die Teilstrecken nift abnehmendem- Durchlassquerschnitt den Anfang machen, und die zwei anderen Gasströmungspfade beginnen an jener Stelle des Strekkenabschnitts, die ihn repräsentiert, wenn der Rotor um 900 gedreht hat In der zweiten und dritten Zylinderfläche werden Paare diametral gegenüberliegender Gasströmungspfade gleicherweise an der gleichen Stelle des Strecken abschnitts beginnen, und die benachbarten Paare beginnen an einer Stelle, die den Streckenabschnitt repräsentierty wenn der Rotor über einen Bogen von 3600,

dividiert durch die Anzahl der Gasströmungspfade in der betreffenden Zylinderfläche, gedreht hat.

Im Betrieb, wenn das Gas mit hohen Temperaturund Druckwerten durch die Mehrzahl der Gasströmungspfade strömt, wird die Wärmeenergie des Gases durch Reaktion in mechanische Wellenenergie umgewandelt. Es ist von Vorteil, dass die beschriebene Wärmekraftmaschine keinerlei reizende, schädliche oder irgeridwie giftige Ausströmungsgase produziert und mit äusserster Ruhe funktioniert. Die Maschine ist zudem im Aufbau sehr einfach, da sie nur einige Lager benötigt und im Gegensatz zu den Turbinen keine. Prä zision in der Herstellung oder schwierige Bearbeitungsvorgänge erfordert.

Wie bereits erwähnt, kann der Rotor der beschriebenen Wärmekraftmaschine aus einer Mehrzahl miteinander verbundener Scheiben bestehen, die einzeln herstellbar sind, so dass die Gasströmungspfade bildenden Aussparungen in den Rotorscheiben durch Fräsen hergestellt werden können. Die Scheiben werden dann zusammengefügt zur Bildung eines Rotors, der mit anderen Fabrikationsverfahren sonst nicht leicht hergestellt werden könnte.

Claims

PATENTANSPRUCH

Rotations-Wärmekraftmaschine zur Umwandlung der thermischen Energie eines Gases in mechanische Energie, bestehend aus einem Gehäuse mit zwei einander gegenüberliegenden Endflanschen, von denen der eine Mittel für den Gaseintritt und der andere Mittel für den Gasaustritt aufweist, und einem zwischen den Endflanschen auf einer in denselben gelagerten Welle montierten zylindrischen Rotor mit schraubenlinienförmigen, vom einen zum anderen Endflansch verlaufenden Gasströmungspfaden, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor in seinem Innern mit einer Mehrzahl schraubenlinienförmig verlaufender Gasströmungspfade gleicher Windungsrichtung und Steigung versehen ist, wobei jeder Gasströmungspfad eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Streckenabschnitte mit Teilstrecken von abnehmendem, zunehmendem und konstantem Durchlassquerschnitt aufweist,

in denen die Wärmeenergie des mit Druck durch die Gasströmungspfade strömenden Gases in mechanische Energie zur Drehung des Rotors umgewandelt wird.

UNTERANSPRÜCHE 1. Rotations-Wärmekraftmaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilstrecke mit abnehmendem Durchlassquerschnitt etwa halb so lang ist wie die zweite Teilstrecke mit zunehmendem Durchlassquerschnitt.

2. Rotations-Wärmekraftmaschine nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Teilstrecke mit konstantem Durchlassquerschnitt etwa gleich lang ist wie die zweite Teilstrecke mit zunehmendem Durchlassquerschnitt.

3. Rotations-Wärmekraftmaschine nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassquerschnitte am Eintritt der ersten Teilstrecke, am Austritt der zweiten Teilstrecke und in der dritten Teilstrecke gleich gross sind.

4. Rotations-Wärmekraftmaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmungspfade kreisrunden Durchlassquerschnitt haben.

5. Rotations-Wärmekraftmaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gasströmungspfade in wenigstens einer Zylinderfläche gleichmässig am Umfang verteilt angeordnet sind.

6. Rotations-Wärmekraftmaschine nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmungspfade in konzentrischen Zylinderflächen angeordnet sind, mit einer geraden Anzahl von Gasströmungspfaden in der innersten Zylinderfläche und einer je um zwei erhöhten Anzahl von Gasströmungspfaden in jeder nach aussen nächstfolgenden Zylinderfläche.

7. Rotations-Wärmekraftmaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel der schraubenlinienförmigen Gasströmungspfade etwa 150 beträgt.

8. Rotations-Wärmekraftmaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gasströmungspfad eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Arbeits- und Ruheabschnitte aufweist, wobei die Arbeitsabschnitte düsenförmig mit veränderlichem Durchlassquerschnitt und die Ruheabschnitte mit gleichbleibendem Durchlassquerschnitt ausgebildet sind.

9. Rotations-Wärmekraftmaschine nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsabschnitte etwa gleiche Länge haben wie die Ruheabschnitte.

10. Rotations-Wärmekraftmaschine nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsabschnitt Teilstrecken mit abnehmendem und zunehmendem Durchlassquerschnitt aufweist.