CH710546B1 - Rotary piston engine for the compression or decompression of gases. - Google Patents
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Abstract
Die Kreiskolbenmaschine für die Verdichtung oder Dekompression von Gasen ist von der Bauart mit ruhender innerer Arbeitsraumwandung und ruhender äusserer Arbeitsraumwandung und hat einen Rotor mit mehreren, bezüglich ihrer Drehachsen zentralsymmetrischen Kreiskolben (1). Diese rotieren mit der halben Winkelgeschwindigkeit des Rotors. Die Arbeitsraumwandungen sind so geformt, das die Spaltweiten zwischen ihnen und den Kreiskolben (1) möglichst klein sind. Die Anzahl und Breite der Kreiskolben (1) ist so gewählt, dass an der Engstelle (7) zwischen Verdichtungsraum (5) und Ansaugraum (6) immer ein Kreiskolben (1) eintritt, wenn der Vorgänger die Engstelle verlassen hat. Die Dicke d der Kreiskolben (1) in Funktion des in Breitenrichtung der Kolben gemessenen Abstands x von der Kreiskolbenachse ist so gewählt, dass ein Kreiskolben (1) die Engstelle (7) verschliesst, solange er in sie hineinragt.The rotary piston engine for the compression or decompression of gases is of the type with a stationary inner working space wall and a stationary outer working space wall and has a rotor with several central pistons (1) which are centrally symmetrical with respect to their axes of rotation. These rotate at half the angular velocity of the rotor. The Arbeitsraumwandungen are shaped so that the gap widths between them and the rotary piston (1) are as small as possible. The number and width of the rotary piston (1) is chosen so that at the constriction (7) between the compression chamber (5) and suction (6) always a rotary piston (1) occurs when the predecessor has left the bottleneck. The thickness d of the rotary pistons (1) as a function of the distance x measured from the rotary piston axis in the width direction of the pistons is selected such that a rotary piston (1) closes the constriction (7) as long as it projects into it.
Description
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Maschine, mit der unter Zufuhr von mechanischer Leistung Gase komprimiert werden können.
[0002] Maschinen für die Kompression von Gasen sind schon lange bekannt, und es gibt eine grosse Zahl von Varianten. Weit verbreitet sind Kolbenmaschinen. Sie haben in Zylindern bewegliche Kolben, die eine Hin- und Herbewegung ausführen. Im Zylinderkopf sind mindestens ein Ein- und ein Auslassventil für den Ein- resp. Auslass des Gases vorhanden. Durch entsprechende Steuerung der Ventile, synchron mit dem sich vergrössernden und verkleinernden Zylindervolumen, können solche Maschinen für die Kompression von Gasen benutzt werden. Es können damit grosse Verdichtungen erreicht werden.
Grosse Maschinen, meist als Teile von Gasturbinen, werden als Strömungsmaschinen konzipiert. Sie bestehen aus einem System von feststehenden Leitschaufeln und einem System von rotierenden Laufschaufeln, über welche die mechanische Leistung für die Kompression des Gases zugeführt wird. Sie zeichnen sich durch ein gutes Leistungsgewicht und einen ruhigen Lauf aus. Die Herstellung ist allerdings wegen der Vielzahl der aufwendig geformten Leit- und Laufschaufeln aufwendig. Für den Bereich der kleineren Leistungen gibt es eine Vielzahl von Rotationskolben oder Kreiskolbenmaschinen. Mit Ausführungsformen, bei denen alle beweglichen Elemente ausschliesslich gleichförmig rotieren, können wegen der dadurch erreichbaren Vibrationsfreiheit hohe Drehzahlen und ein hoher Gasdurchsatz bei geringem Gewicht erreicht werden.
[0003] Der bekannte Erfinder Felix Wankel hat in einem seiner Bücher eine «Einteilung der Kreiskolbenmaschinen» vorgenommen. Was gemeinhin als «Wankelmotor» bezeichnet wird, ist gemäss Wankel eine «innenachsige Bauart» mit «äusserer ruhender Arbeitsraumwandung». Neben einer Vielzahl von «aussenachsigen Bauarten» führt Wankel auch eine einzige Bauart auf, die weder «innenachsig» noch «aussenachsig» ist: Er bezeichnet sie als Bauart mit «äusserer und innerer ruhenden Arbeitsraumwandungen», bei der sich die Kreiskolben im «Schlupfeingriff und Gegeneingriff» befinden. Bei dieser Bauart rotieren alle beweglichen Bauteile gleichförmig, mit den daraus resultierenden Vorteilen. Allerdings ist aus Wankels Beschreibung ersichtlich, dass an der Engstelle, wo die Kreiskolben vom Verdichtungsraum in den Ansaugraum übertreten, eine Dichtheit nicht annähernd erreicht werden kann. Hinzu kommt, dass, neben den Kreiskolben, der Rotor noch starre Hilfselemente aufweist, welche das Verdichtungsverhältnis beschränken. Des Weiteren haben die Arbeitsraumwandungen keine Form, die Dichtheit zwischen den Kreiskolben und den Arbeitsraumwandungen gewährleistet.
[0004] Die Erfindung zeigt nun auf, wie bei einer Kreiskolbenmaschine der Bauart «äussere und innere ruhende Arbeitsraumwandungen», bei der sich die Kreiskolben im «Schlupfeingriff und Gegeneingriff» befinden, einerseits Dichtheit und andererseits höhere Verdichtungsverhältnisse erreicht werden können. Da bei solchen Maschinen Dichtleisten zwischen Kreiskolben und Arbeitsraumwandungen nicht möglich sind, ist immer mit mehr oder weniger grossen Lässigkeitsverlusten zu rechnen. Die bei hohen Drehzahlen vibrationsfrei laufenden Maschinen eignen sich deshalb besonders für Anwendungen, bei denen der Gasdurchsatz gross und das Verdichtungsverhältnis klein ist.
[0005] Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsformen erläutert.
Die Zeichnung Nr. 1 zeigt Wankels Skizze einer Kreiskolbenmaschine in einer Bauart mit «äusserer und innerer ruhenden Arbeitsraumwandungen».
In Zeichnung Nr. 2 ist eine Kreiskolbenmaschine dargestellt, bei der die Kreiskolben und die Arbeitsraumwandungen optimal gestaltet sind.
Zeichnung Nr. 3 dient der Berechnung der optimalen Kolbenbreite.
Aus Zeichnung Nr. 4 sind die Details im Bereich der Engstelle zwischen Verdichtungsraum und Ansaugraum ersichtlich, vor allem die spezielle Form der Kreiskolben, mit welcher Dichtheit zwischen Ver-dichtungs- und Ansaugraum erreicht wird.
Zeichnung Nr. 5 zeigt eine erfindungsgemässe Kreiskolbenmaschine mit vier Kreiskolben.
[0006] Zeichnung Nr. 1 beinhaltet Wankels Skizze einer Kreiskolbenmaschine mit «äusserer und innerer ruhenden Arbeitsraumwandungen». Aus der Zeichnung geht hervor, dass sich bei dieser Art von Kreiskolbenmaschinen die Kreiskolben (1) mit exakt der halben Winkelgeschwindigkeit des Rotors (10) drehen. Die relativ zum Rotor (10) feststehenden Elemente (4) verunmöglichen ein grösseres Verdichtungsverhältnis. Die ruhende Arbeitsraumaussenwandung (2) und die ruhende Arbeitsrauminnenwandung (3) sollten so ausgebildet sein, dass zwischen Kreiskolben (1) und Wandungen (2, 3) und bei der Engstelle (7) zwischen Verdichtungsraum (5) und Ansaugraum (6) möglichst wenig Gas durchtreten kann resp. dass die Lässigkeitsverluste möglichst klein sind. Aus Wankels Skizze ist nicht ersichtlich, wie dies erreicht werden könnte. Zeichnung Nr. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemässen Kreiskolbenmaschine mit insgesamt acht Kreiskolben (1), mit Arbeitsraumaussenwandung (2) und Arbeitsrauminnenwandung (3). Die Wandungen sind so geformt, das die Spaltweiten zwischen ihnen und den Kreiskolben (1) möglichst klein sind. Die Spaltweiten sind natürlich je kleiner, je präziser die Mechanik ist. Das Fehlen von bezüglich des Rotors (10) feststehenden Elementen ermöglicht ein grösseres
Verdichtungsverhältnis. Die Anzahl und die Form der Kreiskolben sind so gewählt, dass an der Engstelle (7) zwischen Verdichtungsraum (5) und Ansaugraum (6) immer ein Kreiskolben eintritt, wenn der Vorgänger die Engstelle verlassen hat. Mit Hilfe der Zeichnung Nr. 3 kann die entsprechende Breite der Kreiskolben berechnet werden. Es wird die Situation dargestellt, wo ein Kreiskolben die Engstelle (7) gerade verlässt und unmittelbar vom nächsten Kreiskolben gefolgt wird. Die Bedingung ist die folgende:
a Breite der Kreiskolben R Abstand zwischen Rotorzentrum und Drehachsen der Kreiskolben N Totale Anzahl von äquidistant angeordneten Kreiskolben [0007] Die Zeichnung Nr. 4 zeigt im Detail, dass jeder der gleichartigen Kreiskolben (1) eine mit dem Abstand zur Kreiskolbenachse x abnehmende Dicke d aufweisen muss, damit die Kreiskolben (1) die Engstelle (7) zwischen Verdichtungsraum (5) und Ansaugraum (6) vollständig verschliessen können.
d(x) Dicke des Kreiskolbens in Funktion des Abstandes von der Kreiskolbenachse w Breite der Engstelle zwischen Verdichtungsraum und Ansaugraum x in Breitenrichtung der Kolben gemessener Abstand von der Kreiskolbenachse R Abstand zwischen Rotorzentrum und Drehachsen der Kreiskolben.
[0008] Wie schon oben erwähnt, müssen die Kreiskolben exakt und synchron mit der halben Winkelgeschwindigkeit des Rotors (10) drehen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Kreiskolben über präzise Zahnradgetriebe anzutreiben, wobei diese Getriebe wiederum von der Rotorwelle angetrieben werden. Je kleiner die Spaltweiten zwischen Kreiskolben (1) und Wandungen (2, 3) sein müssen - vor allem um die Lässigkeitsverluste bei grösseren Verdichtungsverhältnissen klein zu halten -, desto höher müssen die Anforderungen an die Getriebe sein und desto höher sind deren Kosten.
[0009] Je grösser die Anzahl der Kreiskolben (1) ist, desto mehr nehmen die Querschnitte der Arbeitsraumaussenwandung und -innenwandung eine Kreisform an und desto einfacher wird ihre Herstellung - allerdings bei zunehmendem Aufwand für die Kreiskolben. Es kann aber auch der umgekehrte Weg beschritten werden: Reduktion der Anzahl Kreiskolben auf das Minimum; dafür werden dann die Formen der Arbeitsraumaussenwandung und -innenwandung komplizierter. Um die Bedingung einzuhalten, dass auf die Kreiskolben infolge Druckunterschiede keine Drehmomente ausgeübt werden, muss die Anzahl der Kreiskolben mindestens drei sein.
[0010] In der Zeichnung Nr. 5 ist eine Kreiskolbenmaschine mit vier Kreiskolben (1) dargestellt. Der Verdichtungsraum (5) und der Ansaugraum (6) sind so gewählt, dass im Idealfall - keine Lässigkeitsverluste - gerade das maximale Volumenverdichtungsverhältnis von ca. 1,4 erreicht wird. Die Querschnitte der Arbeitsraumaussenwandung (2) und -innenwandung (3) weichen deutlich von der Kreisform ab. In dieser Zeichnung ist auch deutlich zu erkennen, wie der Gasein- (11) und Gasaustritt (12) gewählt wurden: Wenn das Volumen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kreiskolben das Maximum erreicht hat, schneidet der hintere Kreiskolben den Ansaugraum (6) mit dem Gaseintritt (11) von diesem Volumen ab. Nach der Drehung des Rotors (10) um 90 Grad hat das Volumen zwischen den beiden Kreiskolben um ca. 30% abgenommen. Dann gibt der vordere Kreiskolben das Volumen gegenüber dem Verdichtungsraum (5) mit dem Gasaustritt (12) frei.
[0011] Die erfindungsgemässe Kreiskolbenmaschine kann nicht nur zur Kompression von Gasen verwendet werden, sondern auch für die Dekompression von Gasen, um damit mechanische Leistung zu gewinnen.
Description: The invention relates to a machine with which gases can be compressed while supplying mechanical power.
Machines for the compression of gases have long been known, and there are a large number of variants. Piston engines are widely used. They have movable pistons in cylinders which make a reciprocating motion. In the cylinder head are at least one inlet and an outlet valve for the resp. Outlet of the gas available. By appropriate control of the valves, in synchronism with the increasing and decreasing cylinder volume, such machines can be used for the compression of gases. It can be achieved with this large densifications.
Large machines, usually as parts of gas turbines, are designed as turbomachines. They consist of a system of fixed vanes and a system of rotating blades, through which the mechanical power for the compression of the gas is supplied. They are characterized by a good power to weight ratio and a smooth running. However, the production is complicated because of the large number of elaborately shaped guide and blades. For the smaller power range, there are a variety of rotary or rotary piston engines. With embodiments in which all movable elements exclusively rotate uniformly, high speeds and a high gas throughput with low weight can be achieved because of the freedom from vibration achievable thereby.
The well-known inventor Felix Wankel has made in one of his books a "classification of rotary engines". What is commonly referred to as the "Wankel engine" is, according to Wankel, an "inner-axle design" with an "outer stationary workspace wall". In addition to a large number of "external-axis designs," Wankel also lists a single type that is neither "in-axis" nor "out-of-axis". He describes it as a type with "outer and inner stationary working space walls" in which the rotary pistons are in "slip engagement and" Countermeasure »are. In this design, all moving components rotate uniformly, with the resulting benefits. However, it can be seen from Wankel's description that tightness can not be achieved at the bottleneck, where the rotary pistons pass from the compression chamber into the intake chamber. In addition, in addition to the rotary piston, the rotor still has rigid auxiliary elements which limit the compression ratio. Furthermore, the working space walls have no shape that ensures tightness between the rotary pistons and the working space walls.
The invention now shows how, as in a rotary engine of the type "outer and inner stationary Arbeitsraumwandungen», in which the rotary pistons are in "slip engagement and counter-engagement", on the one hand tightness and on the other hand higher compression ratios can be achieved. Since in such machines sealing strips between the rotary piston and Arbeitsraumwandungen are not possible, is always expected with more or less large Lässigkeitsverlusten. The machines running vibration-free at high speeds are therefore particularly suitable for applications where the gas flow rate is high and the compression ratio is low.
In the following the invention will be explained with reference to advantageous embodiments.
The drawing No. 1 shows Wankel's sketch of a rotary piston engine in a design with "outer and inner stationary working space walls".
In drawing no. 2, a rotary piston engine is shown, in which the rotary piston and the working space walls are optimally designed.
Drawing no. 3 is used to calculate the optimum piston width.
Drawing No. 4 shows the details in the area of the constriction between the compression chamber and the suction chamber, above all the special shape of the rotary piston, with which tightness between sealing and suction space is achieved.
Drawing No. 5 shows a rotary piston machine according to the invention with four rotary pistons.
Drawing no. 1 includes Wankel's sketch of a rotary engine with "outer and inner stationary working space walls". It can be seen from the drawing that, in this type of rotary piston engine, the rotary pistons (1) rotate at exactly half the angular speed of the rotor (10). The relative to the rotor (10) fixed elements (4) make impossible a greater compression ratio. The stationary Arbeitsraumaussenwandung (2) and the stationary Arbeitsrauminnenwandung (3) should be designed so that between the piston (1) and walls (2, 3) and the bottleneck (7) between the compression chamber (5) and suction (6) as little as possible Gas can pass resp. that the Lässigkeitsverluste are as small as possible. From Wankel's sketch is not clear how this could be achieved. Drawing No. 2 shows the basic structure of an inventive rotary piston engine with a total of eight rotary pistons (1), with Arbeitsraumaussenwandung (2) and working space inside wall (3). The walls are shaped so that the gap widths between them and the rotary piston (1) are as small as possible. Of course, the gap widths are smaller the more precise the mechanics are. The absence of elements fixed with respect to the rotor (10) allows a larger one
Compression ratio. The number and shape of the rotary piston are chosen so that at the constriction (7) between the compression chamber (5) and the suction chamber (6) always enters a rotary piston when the predecessor has left the bottleneck. Using the drawing no. 3, the corresponding width of the rotary piston can be calculated. It shows the situation where a rotary piston just leaves the constriction (7) and is followed directly by the next rotary piston. The condition is the following:
a Width of the rotary pistons R Distance between the rotor center and rotary axes of the rotary pistons N Total number of equidistantly arranged rotary pistons Drawing No. 4 shows in detail that each of the identical rotary pistons (1) has a thickness d decreasing with the distance to the rotary piston axis x must, so that the rotary piston (1) the throat (7) between the compression chamber (5) and suction (6) can completely close.
d (x) Thickness of the rotary piston as a function of the distance from the rotary piston axis w Width of the constriction between the compression chamber and suction chamber x in the width direction of the piston measured distance from the rotary piston axis R distance between the rotor center and axes of rotation of the rotary piston.
As mentioned above, the rotary pistons must rotate exactly and synchronously with the half angular velocity of the rotor (10). One possibility is to drive the rotary pistons via precise gear drives, these gears in turn being driven by the rotor shaft. The smaller the gap widths between the rotary piston (1) and walls (2, 3) must be - especially to keep the Lässigkeitsverluste small for larger compression ratios - the higher the requirements must be for the transmission and the higher the cost.
The larger the number of rotary pistons (1), the more take the cross sections of Arbeitsraumaussenwandung and -innenwandung a circular shape and the easier is their preparation - but with increasing effort for the rotary piston. But it can also be followed the opposite way: reduction of the number of rotary pistons to the minimum; then the forms of Arbeitsraumaussenwandung and -innenwandung then become more complicated. To comply with the condition that no torques are exerted on the rotary piston due to pressure differences, the number of rotary pistons must be at least three.
In the drawing no. 5, a rotary piston engine with four rotary piston (1) is shown. The compression chamber (5) and the suction chamber (6) are chosen so that in the ideal case - no Lässigkeitsverluste - just the maximum volume compression ratio of about 1.4 is achieved. The cross sections of Arbeitsraumaussenwandung (2) and inner wall (3) differ significantly from the circular shape. In this drawing, it can also be clearly seen how the gas inlet (11) and gas outlet (12) were selected: When the volume between two successive rotary pistons has reached the maximum, the rear rotary piston intersects the suction space (6) with the gas inlet (11 ) from this volume. After rotation of the rotor (90) by 90 degrees, the volume between the two rotary pistons has decreased by about 30%. Then the front rotary piston releases the volume with respect to the compression chamber (5) with the gas outlet (12).
The inventive rotary piston engine can be used not only for the compression of gases, but also for the decompression of gases in order to gain mechanical power.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH02000/14A CH710546B1 (en) | 2014-12-19 | 2014-12-19 | Rotary piston engine for the compression or decompression of gases. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH02000/14A CH710546B1 (en) | 2014-12-19 | 2014-12-19 | Rotary piston engine for the compression or decompression of gases. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CH710546A2 CH710546A2 (en) | 2016-06-30 |
| CH710546B1 true CH710546B1 (en) | 2019-05-31 |
Family
ID=56293967
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CH02000/14A CH710546B1 (en) | 2014-12-19 | 2014-12-19 | Rotary piston engine for the compression or decompression of gases. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH710546B1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ309564B6 (en) * | 2022-01-28 | 2023-04-12 | Milan Ing Ševčík | Turbine with rotating blades |
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2014
- 2014-12-19 CH CH02000/14A patent/CH710546B1/en not_active IP Right Cessation
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|---|---|
| CH710546A2 (en) | 2016-06-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |